Вибрация, ее воздействие на человека и методы защиты

4.4.2.1.
Вибрация, ее воздействие, нормирование

Вибрация — движение точки или механической системы под действием какой-либо внешней силы, при котором происходят колебания характеризующих ее скалярных величин (виброперемещние, виброскорость, виброускорение).

Вибрация характеризуется следующими параметрами: виброперемещением, виброскоростью и виброускорением, и может быть измерена в единицах этих параметров с помощью абсолютных и относительных величин. Для количественной оценки вибрации используют следующие величины:

1. двойная амплитуда есть разность между минимальным и максимальным значением амплитуды вибрации и отображает полный размах колебаний, является важным параметром при оценке критических максимально-допустимых смещений деталей машин

2. пиковое значение есть абсолютные значения максимума и минимума амплитуды вибрации, применяется при оценке кратковременных механических ударов

3. среднее значение отображает временное развитие вибрации

4. среднеквадратичное значение является самым важным, т.к. учитывает временное развитие и связано с энергией вибрации

5. средний квадрат пропорционален энергии процесса или его средней мощности.

Основной относительной величиной является уровень вибрации в дБ относительно опорных значений:

· виброускорения а₀ = 10^-6 м/с²;

· виброскорости v₀ = 5 • 10^-8 м/с;

· виброперемещения A₀ = 10^{-12 м.}

При измерении виброускорения (a), виброскорости (v), виброперемещения (A) логарифмический уровень будет соответственно равен:

L_a = 20 lg a/a₀, L_v = 20 lg v/v₀, L_A = 20 lg A/A₀ (4.41)

Основными характеристиками вибрации являются также:

· частота (f) – количество колебаний за единицу времени (Гц);

· период колебаний Т(с): ;

Вибрация также как и шум характеризуется частотным спектром. В качестве стандартных частотных полос наиболее часто используют октавные полосы и третьоктавные полосы.

Влияние вибрации на человека зависит от ее спектрального состава, временного характера, направления, места приложения, продолжительности воздействия.

Изменения в организме, возникающие при воздействии вибрации, связаны с величиной колебательной энергии, поглощенной телом человека, при этом наиболее важными и подлежащими регламентированию признаны спектральный состав и величины виброскорости в октавных полосах частот.

Вибрация может оказывать на человека различное действие. Виброболезнь является одной из самых распространенных заболеваний среди профессиональных заболеваний. Под ее воздействием могут изменяться физиологические функции, при интенсивной и длительной вибрации возникают преходящие или патологические изменения, проявляется влияние на психические функции. Например, низкочастотная гармоническая вибрация (1 – 2 Гц) вызывает сонливое состояние. Вибрации с различными частотными характеристиками оказывают на человека неодинаковое воздействие (табл.4.7.).

Таблица 4.7.

На рис. 4.20. представлена модель человека, состоящая из сосредоточенных масс, упругих связей (пружин), диссипативных потерь (представленных на схеме как демпферы). Как следует из схемы, резонанс различных частей тела происходит на различных частотах. При вертикальной вибрации резонанс органов брюшной полости наблюдается при частотах 4 - 8 Гц, резонанс головы может происходить на частоте около 25 Гц. При более высоких частотах порядка 30- 80 Гц происходит резонанс глазного яблока. Например, при первых полетах американских кораблей вибрация частотой 50 Гц приводила к тому, что космонавты не могли считывать показания приборов вследствие резонансной вибрации глаз. Субъективное ощущение было таким, будто глаз покрывается пеленой. Входящие в резонанс внутренние органы нередко вызывают болезненные ощущения, связанные с растяжением соединительных тканей, поддерживающих вибрирующий орган.

Рис.4.20. Модель тела человека и резонансы отдельных частей тела.

В целях гигиенической оценки вибрацию классифицируют по следующим критериям.

По способу передачи на человека:

- общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;

- локальную вибрацию, передающуюся через руки человека; к локальной вибрации относят также вибрацию, передающуюся на ноги сидящего человека, и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов.

Характерные случаи передачи вибрации человеку показаны на рис.4.21.

Общая вибрация передается человеку через сиденье 1 от неровностей дороги 2 и неуравновешенности двигателя 3 (Рис.4.21. а); через сиденье кабины управления 1, башенного крана 3 вследствие колебания крана при подъеме или опускании груза 2 (рис.4.21. б). Также общая вибрация передается через пол 1 рабочего места от вибрации испытательного стенда 2 (рис.4.21. в); через пол 1 рабочего места, расположенного на формующем агрегате бетоноукладчика 2 (рис.4.21. г). Локальная вибрация может передаваться от пневматической или электрической ручной машины (рис.4.21. д) и от органов управления самоходной машины (рис.4.21 е).

По источнику возникновения вибрацию подразделяют на:

- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (с двигателями), органов ручного управления машинами и оборудованием;

- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного немеханизированного инструмента (без двигателей), например, от рихтовочных молотков разных моделей и от обрабатываемых деталей;

- общую вибрацию категории 1 - 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 горношахтный
рельсовый транспорт;

- общую вибрацию категории 2 - 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 категории 3 - 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 подразделяют на следующие типы:

- на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;

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

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

По направлению действия вибрацию подразделяют в соответствии с направлением осей ортогональной системы координат:

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

- общую вибрацию подразделяют на действующую вдоль осей ортогональной системы координат X , Y , Z , где X (от спины к груди) и Y
(от правого плеча к левому) горизонтальные оси, направленные параллельно опорным поверхностям; Z - вертикальная ось, перпендикулярная опорным поверхностям тела в местах его контакта с сиденьем, полом и т. п.

Для общей вибрации направление осей и их связь с телом челове­ка показаны на рис. 4.22. Для локальной вибрации направление осей и их связь с рукой че­ловека показаны на рис.4.23. и рис.4.24.

По временным характеристикам вибрации разделяют на:

- постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения;

- непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:

а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;

б) прерывистые вибрации, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет
место контакт, составляет более 1 с;

Рис. 4.23. Направление осей при локальной вибрации (при охвате цилиндрических, торцевых и близких к ним поверхностей)

Рис. 4.24. Направление осей при локальной вибрации (при охвате сферических поверхностей)

Частотный состав воздействующей вибрации определяет степень ее распространения по телу и особенности физиологических реакций организма, описываемых с учетом принятых динамических моделей тела человека как сочетания масс с упругими элементами. Порог восприятия вибрации соответствует колебательной скорости 10^-4 м/с, при скорости 1 м/с возникает болевое ощущение.

Локальная вибрация может передаваться через руки на туловище человека (особенно если руки напряжены) и вызывать эффекты общего характера типа головной боли, тошноты и т.п. Патофизиологическое действие вибрации может привести к развитию вибрационной болезни. Симптомы вибрационной болезни многообразны. Но наиболее часто она проявляется во внезапном нарушении кровообращения пальцев кисти рук, что вызывает их побеление, нарушение чувствительности, онемение, ощущение покалывания, все это может привести к частичному парезу рук.

При анализе локальной вибрации рука человека может быть представлена в виде модели сосредоточенными параметрами рис. 4.25.

Рис.4.25. Двухмассовая модель руки.

Нормирование вибрации. Качественные и количественные критерии и показатели не­благоприятного воздействия вибрации на человека-оператора в процессе труда устанавливаются санитарными нормами, правила­ми и другими нормативными документами, в том числе ГОСТ12.1.012-90.

В соответствии с ними вводятся следующие критерии оценкинеблагоприятного воздействия вибрации:

- критерий "безопасность", обеспечивающий не нарушение здоровья оператора, оцениваемого по объективным показателям с учетом риска возникновения профессиональной патологии (вибрационной болезни), а также исключающий возможность возникновения травмоопасных или аварийных ситуаций из-за воздействия вибрации; по этому критерию нормируется локальная и транспортная вибрация;

- критерий "граница снижения производительности труда", обеспечивающий поддержание нормативной производительности труда
оператора, не снижающейся из-за развития усталости под воздействием вибрации; по этому критерию нормируется транспортно-технологическая и технологическая вибрация типа "а";

- критерий "комфорт", обеспечивающий оператору ощущение комфортности условий труда при полном отсутствии мешающего действия
вибрации; по этому критерию нормируется технологическая вибрация типа "в" и введенная санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566-96 технологическая вибрация типа "б" (отсутствует в стандарте).

В качестве факторов, влияющих на степень и характер не­благоприятного воздействия вибрации, учитываются:

- риски (вероятности) проявления различных патологий вплотьдо профессиональной вибрационной болезни;

- показатели физической нагрузки и нервно-эмоционального на­пряжения;

влияние сопутствующих факторов, усугубляющих воздействие вибрации (охлаждение, влажность, шум, химические вещества и т. п.);

- длительность и прерывистость воздействия вибрации;

- длительность рабочей смены.

В соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 нормируемыми показателями вибрационной нагрузки на оператора на рабочем месте в процессе труда являются одночисловые параметры (корректированное по частоте значение контролируемого параметра, доза вибрации, эквивалентное корректированное по частоте значение контролируемого параметра) или спектр вибрации, установленные санитарными нормами.

Норму вибрационной нагрузки на оператора устанавливают для длительности 8 ч, соответствующей длительности рабочей смены. Предельно допустимые величины нормируемых параметров вибрации рабочих мест для 8-часовой длительности вибрационного воздействия установлены СН 2.2.4./2.1.8.566-96 в зависимости от способа передачи, категории и типа вибрации.

Санитарные нормы устанавливают три метода проведения гигиенической оценки постоянной и непостоянной вибрации, воздействующей на человека:

- метод частотного (спектрального) анализа нормируемого параметра;

- метод интегральной оценки по частоте нормируемого параметра;

- метод интегральной оценки с учетом времени вибрационного воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра.

По спектру вибрация нормируется в октавных или 1/3-октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами от 8 Гц до 1000 Гц (для локальной вибрации) и от 0,8 Гц до 80 Гц (для общей вибрации) в соответствии с предпочтительными рядами, установленными ГОСТ 12090-80, для каждого направления ее действия (см. табл. 4.8.)

Таблица 4.8.

Гигиенические нормы вибраций по СН 2.2.4/2.1.8.566-96 (извлечение)

В качестве нормируемых параметров санитарные нормы устанавливают:

- средние квадратические значения виброскорости и виброускорения (ã) или их логарифмические уровни L_v , L_a в 1/1- и 1/3-октавных полосах частот - при частотном (спектральном) анализе;

- корректированное значение виброскорости (v) и виброускорения (а) или их логарифмические уровни - при интегральной оценке по частоте;

- эквивалентное корректированное значение виброскорости ………..

или виброускорения (ã_экв) или их логарифмических уровней ……………… - при интегральной оценке вибрации с учетом времени ее воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню.

Корректированное значение контролируемого параметра измеряют с помощью корректирующих фильтров или вычисляют посредством энергетического сложения корректированных значений (уровней) в полосах частот. Весовые коэффициенты в частотных полосах нормируемого диапазона установлены ГОСТ 12.1.012-90.

Эквивалентное корректированное значение измеряют с помощью интегрирующих приборов или вычисляют посредством энергетического сложения корректированных значений (уровней) контролируемого параметра, умноженных на интервалы времени, в течение которых происходит это суммирование, и деленных на время оценки действующей вибрации.

Санитарные нормы для оценки постоянной вибрации требуют контролировать оба параметра вибрации Однопараметрическую оценку вибрационной нагрузки, действующей на оператора, рекомендует использовать ГОСТ 12.1.012-90. При этом в качестве предпочтительного параметра устанавливает виброускорение и его логарифмический уровень. Так как использование логарифмических уровней не обосновывается какими-либо объективными причинами метрологического или психофизиологического характера, как это имеет место, например, для шума, в мировой практике (международные стандарты серии ИСО 2631, немецкий стандарт ДИН 4150, часть 2) для контроля вибрации нормируют и измеряют абсолютные величины контролируемого параметра. При этом международные стандарты предпочтение отдают виброускорению, а немецкий стандарт - виброскорости. При длительности воздействия вибрации менее 8 ч (480 мин) ГОСТ 12.1.012-90 рекомендует повышать норму вибрационной нагрузки на оператора по спектральным и корректированным по частоте значениям контролируемого параметра (U) в соответствии с зависимостью U_t=(U₄₈₀/T), где U₄₈₀ - норма вибрационной нагрузки на оператора для длительности воздействия 480 мин, соответствующая предельно допустимым значениям, установленным санитарными нормами; Т - длительность воздействия вибрации. При Т < 30 мин в качестве нормы рекомендуется принимать значение, вычисленное для Т = 30 мин.

Стандарт устанавливает требования к ограничению времени воздействия вибрации, которое должно осуществляться для лиц виброопасных профессий путем установления внутри-сменного режима труда, реализуемого в технологическом процессе.

Режим труда устанавливается при показателе превышения вибрационной нагрузки Л на оператора не менее 1 дБ (в 1,12 раза), но не более 12 дБ (в 4 раза). При показателе превышения Δ > 12 дБ (в 4 раза) запрещается проводить работы и применять машины, генерирующие такую вибрацию. Стандарт регламентирует рациональную организацию труда в течение смены и устанавливает требования по сокращению длительности непрерывного воздействия вибрации на оператора и введению регулярно повторяющихся перерывов (защита временем).

Для общей вибрации суммарное время вибрационного воздействия в течение рабочей смены ограничено 390 мин за счет установления двух регламентированных перерывов длительностью 20 мин и 30 мин и обеденного перерыва длительностью не менее 40 мин.

Для локальной вибрации введены ограничения на допустимое суммарное время непрерывного воздействия вибрации на работающего за смену в пределах от 381 мин до 30 мин при соответствующих значениях показателя превышения вибрационной нагрузки от 1 дБ до 12 дБ и даны рекомендации по определению временной структуры рабочей смены, состоящей из одинаковых рабочих циклов. Наиболее рациональной длительностью одноразового непрерывного воздействия вибрации на работающего в цикле признано время не более 15 мин, которое не может быть превышено при Δ > 9 дБ. Для более низких значений показателя превышения вибрационной нагрузки максимально возможная длительность непрерывного контакта с вибрацией установлена не более 50 мин.

Вибрации машин и оборудования.Контролируемыми параметрами вибрационных характеристик машин по ГОСТ 12.1.012-90являются:

- кинематические показатели вибрации - амплитуда виброперемещения, средние квадратические значения виброскорости и виброускорения;

- динамические показатели - сила и момент силы относительно центра масс машины.

Вибрационную характеристику нормируют и контролируют, если создаваемая машиной вибрационная нагрузка на оператора составляет не менее половины санитарной нормы, установленной для условий применения данной машины.

Основные положения по определению динамических характеристик стационарных машин установлены в ГОСТ 26043-83. Динамические нагрузки определяют в точках опирания машин на несущую конструкцию при развитии машиной рабочего режима, отвечающего техническим требованиям к изготовлению и эксплуатации машин. Для определения значения, направления, характера приложения нагрузки к несущей конструкции и закона изменения нагрузки во времени ГОСТ устанавливает следующие методы: метод упругих опор, метод жестких силоизмерителей, метод тарирования несущих конструкций вибратором и специальные методы.

Требования к вибрационным характеристикам ручных машин, методам их установления и контроля устанавливает ГОСТ 17770-86, методы измерения вибрационных параметров - ГОСТ 16519-78.

Заказчик и (или) потребитель, принявший в эксплуатацию машины, оборудование, предприятие, несет ответственность за обес­печение вибрационной безопасности труда.