Механические колебания. Вибрация.

Научно-технический прогресс в промышленности предопределяет широкое внедрение вибрационной техники, что объясняется высокой производительностью и значительной экономической эффективностью вибрационных машин.

Вибрация - это малые механические колебания, возникающие в упругих телах или телах, находящихся под воздействием переменного физического поля.

Простейшей формой вибрации является гармоническое колебание, когда рассматриваемая точка конструкции смещается в заданном направлении от положения равновесия в зависимости от времени по синусоидальному закону. Время, в течение которого материальное тело совершает одно полное колебание, называют периодом колебаний. Число полных колебаний за единицу времени называют частотой колебаний. Период (Т) и частота колебания (f) связаны между собой соотношением:

, отсюда .

Максимальное отклонение тела от положения устойчивого равновесия называется амплитудой (а). В практике амплитуду принято измерять в линейных единицах (метрах или сантиметрах).

Вибрация как движение характеризуется скоростью и ускорением. Максимальное значение скорости колебательного движения равно:

V_max=p2fa

где V_max— максимальное значение скорости (м/сек); f— частота (Гц); а — амплитуда (см).

Ускорение рассчитывается:

W=4nf²a,

где W — ускорение вибрации (м/с²); f— частота (Гц); а — амплитуда (см).

В производственных условиях синусоидальные вибрации встречаются редко. Возникающие в результате работы машин и оборудования сложные колебательные движения являются апериодическими или квазипериодическими, часто носят импульсный характер.

Колебательная скорость, равная 1 × 10 м/с, улавливается человеком как порог восприятия, при скорости 1 м/с возникает болевое ощущение.

В соответствии с действующими санитарными нормами производственные вибрации по своим физическим характеристикам имеют довольно сложную классификацию.

В результате активной преобразующей деятельности человека вибрационный фон окружающей среды постоянно меняется. Источниками вибрационного воздействия являются подземный и наземный транспорт, промышленные предприятия, внутридомовое оборудование зданий, инженерно-технологическое оборудование встроенных предприятий торговли и коммунально-бытового обслуживания населения.

Вибрация в квартире часто вызвана эксплуатацией лифта. В некоторых случаях ощутимая вибрация наблюдается при строительных работах, проводимых вблизи жилых зданий (забивка свай, демонтаж и ломка зданий, дорожные работы).

Источником повышенной вибрации в жилых домах могут служить промышленные предприятия при эксплуатации гидравлических и механических прессов, строгательных и вырубных механизмов, бетономешалок, дробилок, компрессоров, падающих молотов.

Общую производственную вибрацию по источнику ее возникновения и возможности регулирования ее интенсивности оператором подразделяют на следующие категории.

Категория 1 — транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах подвижных машин и транспортных средств при их движении по местности или дорогам (в том числе при их строительстве). К ней относятся рабочие места на тракторах и самоходных машинах для обработки почвы, уборки и посева сельскохозяйственных культур, грузовых автомобилях, строительно-дорожных машин, снегоочистителях, самоходном горно-шахтовом рельсовом транспорте.

Категория 2 — транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах машин с ограниченной подвижностью при перемещении их по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок и горных выработок. К ней относятся рабочие места на экскаваторах, строительных кранах, машинах для загрузки мартеновских печей в металлургическом производстве, горных комбайнах, шахтных погрузочных машинах, самоходных бурильных каретках, путевых машинах, бетоноукладчиках, напольном производственном транспорте.

Категория 3 — технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах стационарных машин или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. К ней относятся рабочие места у металло- и деревообрабатывающих станков, кузнечно-прессового оборудования, литейных машин, электрических насосных агрегатов и др.

Локальная вибрация по источнику возникновения подразделяется на передающуюся от:

— ручных машин с двигателями или ручного механизированного инструмента, органов ручного управления машин и оборудования;

— ручных инструментов без двигателей (например, рихтовочные молотки разных моделей) и обрабатываемых деталей.

Вибрация относится к факторам, обладающим значительной биологической активностью. Характер, глубина и направленность функциональных сдвигов со стороны различных систем организма определяются прежде всего уровнями, спектральным составом и продолжительностью вибрационного воздействия. В субъективном восприятии вибрации и объективных физиологических реакциях важная роль принадлежит биомеханическим свойствам человеческого тела как сложной колебательной системы.

Степень распространения колебаний по телу зависит от их частоты и амплитуды, площади участков тела, соприкасающихся с вибрирующим объектом, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явления резонанса и других условий. При низких частотах вибрация распространяется по телу с весьма малым затуханием, охватывая колебательным движением все туловище и голову.

Резонанс человеческого тела в биодинамике определяется как явление при котором анатомические структуры, органы и системы под действием внешних вибрационных сил, приложенных к телу, получают колебания большей амплитуды. На резонанс тела наряду с его массой влияют такие факторы как размер, поза и степень напряжения скелетной мускулатуры индивидуума и др.

Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях располагается в зоне между 20 и 30 Гц, при горизонтальных - 1,5-2 Гц. Особое значение резонанс приобретает в отношении органа зрения. Частотный диапазон расстройств зрительных функций лежит между 60 и 90 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок. Для торакоабдоминальных органов резонансными являются частоты 3-3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резонанс определяется на частотах 4-6 Гц.

В формировании реакций организма на вибрационную нагрузку важную роль играют анализаторы: кожный, вестибулярный, двигательный, для которых вибрация является адекватным раздражителем.

Длительное влияние вибрации, сочетающееся с комплексом неблагоприятных производственных факторов, может приводить к стойким патологическим нарушениям в организме работающих, развитию вибрационной болезни.

Патогенез вибрационной болезни сложен и недостаточно изучен. В настоящее время доказано, что в основе его лежит сложный механизм нервно-рефлекторных и нейрогуморальных нарушений, которые приводят к развитию застойного возбуждения и последующим стойким изменениям как в рецепторном аппарате, так и в ЦНС, причем наиболее тяжело страдают системы, регулирующие сосудистый тонус. При интенсивном вибрационном воздействии не исключена и прямая механическая травматизация, в первую очередь опорно-двигательного аппарата: мышц, костей, суставов и связочного аппарата.

Клинически в развитии вибрационной болезни, различают 3 степени ее развития: I степень - начальные проявления, II степень - умеренно выраженные проявления, III степень - выраженные проявления.

Различают формы вибрационной болезни, вызванные локальной и общей вибрацией. Наибольшее распространение, а следовательно, социальное и экономическое значение имеет вибрационная болезнь, обусловленная воздействием локальной вибрации.

Одним из основных симптомов данной болезни являются сосудистые расстройства. Чаще всего они заключаются в нарушении периферического кровообращения, изменении тонуса капилляров, нарушении общей гемодинамики. Больные жалуются на внезапно возникающие приступы побеления пальцев, которые чаще появляются при мытье рук холодной водой или при общем охлаждении организма.

Полиневропатическая симптоматика при вибрационной болезни проявляется ноющими, ломящими, тянущими болями в верхних конечностях, беспокоящими больше по ночам или во время отдыха. Боли сопровождаются парестезиями, повышенной зябкостью кистей.

Одним из постоянных симптомов вибрационной болезни является расстройство чувствительности. Наиболее резко страдает вибрационная, а также болевая и температурная чувствительность. У длительно работающих с тяжелыми инструментами как следствие перенапряжения часто наблюдаются миофасцикулиты, миозиты, тендомиозиты.

Изменения со стороны костей проявляются в виде дегенеративно-дистрофических изменений, эностозов, шпор, параосальных обызвествлений, кистозных образований, деформирующих артрозо-артритов крупных суставов верхних конечностей.

Вибрационная болезнь, вызванная воздействием общей вибрации и толчками, наблюдается у водителей транспорта и операторов транспортно-технологических машин и агрегатов. Одним из основных ее синдромов является вестибулопатия, которая проявляется головокружением, головными болями, гипергидрозом и т. д. Нередко возникают дисфункции пищеварительных желез, причем нарушения моторной и секреторной функции желудка часто связаны с птозами органов брюшной полости, возникновением соляргий.

Типичны изменения в позвоночнике, проявляющиеся в виде деформирующего остеоартроза пояснично-крестцового отдела или дискозов. Эти изменения, как правило, сопровождаются возникновением вторичных корешковых расстройств, являющихся причиной нарушения трудоспособности.

При всех видах вибрационной болезни нередко наблюдаются изменения со стороны ЦНС в виде вегетодисфункции на неврастеническом фоне, которые могут быть связаны с комбинированным действием вибрации и интенсивного шума, постоянно сопутствующего вибрационным процессам. По той же причине у рабочих виброопасных профессий с большим стажем возникают невриты слуховых нервов, при выраженных стадиях заболевания наблюдается понижение слуха не только на высокие, но и на низкие тона (64-128Гц).

Общая вибрация оказывает также отрицательное влияние на женскую половую сферу.

Профилактические мероприятия. В условиях широкого распространения вибрационного оборудования во всех отраслях народного хозяйства и дальнейшего роста его использования проблема профилактики вибрационной патологии является чрезвычайно актуальной. Комплекс основных профилактических мероприятий, принятых в нашей стране, включает: гигиеническое нормирование; технические способы ограничения и уменьшения вибрации; рациональные режимы труда и отдыха; лечебно-профилактические меры.

В профилактике неблагоприятного влияния вибрации на человека различают гигиеническое и техническое нормирование вибраций. В первом случае ограничивают параметры вибрации рабочих мест и поверхности контакта с руками работающих, исходя из физиологических требований, исключающих возможность возникновения вибрационной болезни. Во втором случае ограничивают параметры вибрации не только с учетом указанных требований, но и исходя из достижимого на сегодняшний день для данного типа оборудования уровня вибрации. Разработаны законодательные документы, устанавливающие допустимые значения и методы оценки характеристик вибраций, одним из которых является ГОСТ 12.1.012-90 «Система стандартов безопасности труда. Вибрация, общие требования безопасности».

Оценка степени вредности вибрации ручных машин производится по спектру виброскорости относительно порогового значения, равного 5 × 10^-8 м/с. Масса вибрирующего оборудования или его частей, удерживаемых руками, не должна превышать 10 кг, а усилие нажима — 20 кг.

Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника ее возникновения. Наиболее высокие требования предъявляются при нормировании технологических вибраций в помещениях для умственного руда. Гигиенические нормы вибрации установлены для длительности рабочего дня, равной 8 часам.

Санитарными нормами установлены предельно допустимые величины вибрации в производственных помещениях предприятий (табл. 2.3).

Таблица 2.3.