Основные характеристики вибраций. Классификация вибраций.

Малые механические колебания, возникающие в упругих телах или телах, находящихся под воздействием переменного физического поля, называются вибрацией. Причиной возбуждения вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия, которые возникают:

- при возвратно-поступательных движениях систем (кривошипно-шатунные механизмы, ручные перфораторы, вибротрамбовки и т.п.);

- в результате наличия неуравновешенных вращающихся масс (ручные электрические и пневматические шлифовальные машины, режущий инструмент станков и т.п.);

- при ударах деталей (зубчатые зацепления, подшипниковые узлы).

Область распространения вибрации называется вибрацион­ной зоной.

Параметры, характеризующие вибрацию.Вибрация характе­ризуется скоростью (v, м/с) и ускорением (а, м/с²) колеблющей­ся твердой поверхности. Обычно эти параметры называют вибро­скоростью и виброускорением. Величины виброскорости и виброускорения, с которыми приходится иметь дело человеку, изменяются в очень широ­ком диапазоне. Оперировать с цифрами большого диапазона очень неудобно. Кроме того, органы человека реагируют не на абсолютное изменение интенсивности раздражителя, а на его относительное изменение. В соответствии с законом Вебера—Фехнера, ощущения человека, возникающие при различ­ного рода раздражениях, в частности вибрации, пропорцио­нальны логарифму количества энергии раздражителя. Поэто­му в практику введены логарифмические величины — уровни виброскорости и виброускорения:

,	(1)
,	(2)

где υ и а – виброскорость и виброускорение;

υ₀ и а₀ – пороговые значения виброскорости и виброускорения. υ₀=5*10^-8 м/с, а₀=3*10^-4 м/с². Измеряются уровни в специальных единицах — децибелах (ДБ).

Производственную виб­рацию классифицируют по следующим признакам (рис.1):

• способ передачи вибрации;

• направление действия вибрации;

• временная характеристика вибрации;

• характер спектра вибрации;

• источник возникновения вибрации (рис.2).

Рисунок 1– Классификация производственных вибраций

Действие вибрации на человека зависит от частоты и уровня вибрации, продолжительности воздействия, места приложения вибрации, направления оси вибрационного воздействия, индивидуальных способностей организма человека воспринимать вибрацию, условий возникновения резонанса и ряда других условий.

Рисунок 2 – Категории вибрации в зависимости от источника

Вопрос 2. Гигиеническое нормирование вибрации. Воздействие виборации на организм человека

Действие вибрации на человека зависит от частоты и уровня вибрации, продолжительности воздействия, места приложения вибрации, направления оси вибрационного воздействия, индивидуальных способностей организма человека воспринимать вибрацию, условий возникновения резонанса и ряда других условий. Колебательные процессы присущи живому организму, в частности человеку — ритмичные колебания серд­ца, крови, биотоков мозга. Внутренние органы человека (печень, почки, желудок, сердце и т. д.) можно рассматривать как колеба­тельные системы с упругими связями. Собственная частота внут­ренних органов f = 3...6 Гц. Собственная частота головы челове­ка относительно плечевого пояса — 25...30 Гц, относительно ос­нования, на котором находится человек, — 4...6 Гц. При совпадении собственных частот внутренних органов человека и отдельных частей его тела с частотой вынужденной вибрации возникает явление резонанса, при котором резко возрастает ам­плитуда колебаний органов и частей тела. При этом могут воз­никнуть болевые ощущения в отдельных органах, а при очень высоких уровнях вибрации — даже травмы, разрывы связок, артерий.

Рисунок 3 – Влияние вибрации на человека

Яв­ление резонанса для человека возникает при низкочастотной вибрации. Колебания с частотой менее 0,7 Гц получили название качки. Качка не вызывает серьезных нарушений в организме человека, но происходят нарушения в вестибулярном аппарате Метиска, а у людей со слабым вестибулярным аппаратом может возникнуть так называемая морская болезнь, при которой возникает головокружение, тошнота, рвота. После прекращения качки это состояние через некоторое время исчезает.

При частотах вибрации менее 16 Гц кроме явлений резонанса у человека возникает подавленное состояние, чувство страха, треноги, угнетается центральная нервная система. При воздействии вибрации в организме человека происходят функциональ­ные и физиологические изменения, представленные в таблице 1.

Таблица 1– Изменения в организме человека при воздействии вибрации

Вибрационная болезнь (виброболезнь) — профессиональное заболевание, вызванное длительным воздействием на организм вибрации. Формы и стадии виброболезни представлены в таблице 2

Таблица 2- Симптомы стадий заболевания виброболезнью

Гигиеническое нормирование вибрации.

При нормировании вибрации учитывают ее категорию в зависимости от вида ее источника.

Нормы вибрации установлены для трех взаимно перпендикулярных направлений вдоль осей ортогональной системы координат.

Различают санитарно-гигиеническое и техническое нормирование вибрации.

В первом случае производят ограничение параметров вибрации рабочих мест и поверхности контакта с конечностями работающих, исходя из физиологических требований, и снижающих возможность возникновения вибрационной болезни.

Во втором случае осуществляют ограничение параметров вибрации с учетом не только указанных требований, но и технически достижимого на сегодняшний день для данного вида машин уровня вибрации.

Санитарно-гигиеническое нормирование вибраций регламентирует параметры производственной вибрации и правила работы с виброопасными механизмами и оборудованием, ГОСТ 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования», СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

Документы устанавливают: классификацию вибраций, методы гигиенической оценки, нормируемые параметры и их допустимые значения, режимы труда лиц виброопасных профессий, подвергающихся воздействию локальной вибрации, требования к обеспечению вибробезопасности и к вибрационным характеристикам машин.

Допустимые значения устанавливаются отдельно для общей и локальной виб­рации. Общая вибрация нормируется в диапазонах октавных по­лос со среднегеометрическими значениями частот 2, 4, 8, 16, 4,5, 63 Гц (для транспортной вибрации дополнительно норми­руется вибрация в октавной полосе c f_СГ= 1 Гц). Локальная вибрация нормируется в диапазонах частот с f_СГ= 16, 31,5, 63, 125, 250. 500, 1000 Гц. Нормы установлены для продолжительности рабочей смены в 8 часов.

При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости v (и их логарифмические уровни L_v) или виброускорения а (L_а) для локальных вибраций в октавных полосах частот, а для общей вибрации – в октавных или третьоктавных полосах.

Нормативные значения для производственных вибраций и вибраций в помещениях жилых и общественных зданий приведены в Санитарных нормах СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Для технологической вибрации категории 3а эти значения даны в таблице 3.

Таблица 3 – Предельно допустимые значения вибрации категории 3а (для производственных рабочих мест)

Среднегеометриче- ские частоты октавных полос, Гц	Предельно допустимые значения по осям X, Y, Z
виброускорения	Виброскорости
м/с2	дБ	м/с	дБ
31,5	0,14 0,10 0,10 0,20 0,40 0,79		1,30 0,45 0,22 0,20 0,20 0,20
Корректированные и эквивалентные корректированные значения	0,10		0,20

Для локальной вибрации корректированные нормативные значения (по осям X_л, Y_л, Z_л) по виброускорению составляют 2,0 м/с² и 126 дБ, по виброскорости - 0,002 м/с и 112 дБ. Допустимые значения представлены в таблицах 4 – 5.

Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости от времени фактического воздействия вибрации (Т), не превышающего 480 мин (8-ми часовой рабочий день), определяется по формуле:

,

(3)

где - допустимое значение виброскорости для длительности воздействия 480 мин.

Таблица 4 – Санитарные нормы одночисловых показателей вибрационной нагрузки на оператора для длительности смены 8 ч

Таблица 5 – Гигиенические нормы вибрации по ГОСТ 12.1.012 (извлечение)

Вопрос 3. Параметры, характеризующие акустические колебания (шум). Классификация производственного шума

Одним из видов движения являются волны. Отличительной особенностью этого движения, делающей его уникальным, является то, что в волне распространяются не сами частицы вещества, а изменения в их состоянии (возмущения). Если какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и застав­ляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется и в ней возникают упругие силы. Эти силы действуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение. Упругие волны называются звуковымиили акустическими,если соответствующие им механические деформации среды имеют малые амплитуды. Отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц состоит в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды из одного места в другое на большие расстояния.

Часто акустические колебания называют звуком, а область их распространения — звуковым полем. Громкость звука зависит от интенсивности звука, т.е. определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Наибольшей чувствительностью органы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. Единица измерения уровня громкости звука – фон. Шумом принято называть апериодические звуки различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук. Как и всякая волна, звуковая волна характери­зуется скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны λ, и частотой колебаний ν скорость υ связана формулой:

.

(4)

При нормальных ат­мосферных условиях (температура 20 °С, давление 10⁵ Па) скорость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое давление р (Па) – разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде

,

(5)

где ρ – плотность среды (кг/м³);

ρ*с – удельное акустическое сопротивление (Пас/м), равное 410 Па*с/м для воздуха, 1,5*10⁶ Па*с/м – для воды, 4,8*10⁷ Па*с/м – для стали;

υ – колебательная скорость (м/с).

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука. Интенсивность звука I (Вт/м²) — это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади по­верхности, через которую она распространяется

.

(6)

Как и для вибрации и по тем же самым причинам, звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их ло­гарифмическими значениями — уровнями звукового давления и интенсивности звука.

,

(7)

где р — звуковое давление, Па;

р₀ — пороговое звуковое давление, равное 2•10^-5 Па.

Уровень интенсивности звука

,

(8)

где I — интенсивность звука, Па;

I₀ — пороговая интенсивность звука, равная 10 ^-12 Вт/м². В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Так же как и для вибрации, диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (f₁/f₂ = 2), характеризуемые их среднегеометрическими частотами f_СГ

Классификация производственного шума. Шум классифицируется по частоте, спектральным и временным ха­рактеристикам, природе его возникновения (рис. 3) По частоте акустические колебания различаются на инфразвук (f < 16 Гц), звук (16 < /< 20 000 Гц), ультразвук (/ > 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц) (рис. 4).

Рисунок 3 – Классификация производственного шума

Рисунок 4 – Классификация акустических колебаний по частоте

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выражен­ные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах). Примером широкополосного шума может являться шум реактивного самолета, тонального — шум дисковой пилы, с спектре шума которой имеется ярко выраженная частота с доминирую­щим уровнем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на по­стоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ; непостоянным — если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на колеб­лющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во вре­мени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука оста­ется постоянным не менее 1 с (например, шум прерывисто сбра­сываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представ­ляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме).

По природе возникновения шум можно разделить на механиче­ский, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный. Механические шумы возникают по следующим причинам: на­личие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникаю­щих из-за движения деталей механизма с переменными ускоре­ниями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбеж­ных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения на, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентиляторов, компрессоров, газовых турбин, Причинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и выпуске свободной струи газа; пульсации рабочей среды, вызываемые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин; колебания, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэродина­мический шум — один из самых значительных по уровню звука.

Гидравлические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулентность, гидравлические удары). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхностей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума пишется взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также электрические (пондеромоторные) силы, вызываемые взаи­модействием электромагнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами.