Вибрационная безопасность персонала производственной и социально-бытовой сферы деятельности

Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД студентов АлтГТУ всех форм обучения

Барнаул 2011

Стуров Д. С., Гергерт В.Р., Калин А.Ю. Вибрационная безопасность персонала производственной и социально-бытовой сферы деятельности: Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД/ Алт. гос. техн. уни-т им. И.И. Ползунова – Барнаул, изд-во АГТУ, 2011

Учебно-методическое пособие для практических занятий по БЖД рассмотрено методической комиссией кафедры БЖД и одобрено для использования.

Общие теоретические сведения о вибрации.

В основу разработки учебно-методического пособия положены государственные нормативно-правовые документы:

· ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ, Вибрационная безопасность.

· СН 2.2. 4/2. 1.8.566-96, Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий.

Термины и определения, источники и причины вибрации.

Вибрация – это механические колебания упругих тел и материалов, отдельных частей машин, механизмов, фундаментов, строительных конструкций и т.п., при воздействии на них знакопеременной возмущающей силы.

С физической точки зрения между шумом (т.е. звуковыми колебаниями) и вибрацией принципиальной разницы нет. Разница имеет место лишь в восприятии колебаний: вибрация воспринимается вестибулярным аппаратом и органами осязания, а шум – органом слуха. Механические колебания упругих тел с частотой до 20 Гц воспринимаются организмом как вибрация, фактически это инфразвук, т.е. неслышимые колебания, а колебания с частотой более 20 Гц – воспринимаются одновременно и как вибрация и как звук. Примером этому может служить струна музыкального инструмента – она колеблется и звучит.

Источниками вибрации являются: различные технологические процессы (рубка металла, механическая обработка, размол и измельчение продукта и т.д.); машины, механизмы и их рабочие органы; ручные механизированные инструменты (электродрели, пневмонаждаки и т.п.); органы ручного управления машинами и оборудованием, и т.д.

Причины возникновения вибрации во многом обусловлены техническим прогрессом, характеризующимся увеличением скоростей движения, возрастанием мощностей, усилий, производительности оборудования. Но современная техносфера не совершенна: имеют место неуравновешенность и неравномерность движения механизмов, неточность изготовления, увеличенные зазоры в шарнирных сочленениях, неоднородность материалов движущихся деталей машин и механизмов и т.п. Всё это вместе или по отдельности является источником возникновения возмущающих знакопеременных сил, порождающих вибрацию.

Основные параметры и характеристики вибрации.

Техногенные вибрации могут быть простые, когда колебания совершаются по одной из трёх координат (X,Y,Z) и сложные, когда колебания объекта происходят одновременно по всем координатным направлениям с разной амплитудой и частотой.

Простейшим видом колебаний являются гармонические синусоидальные колебания по одной из трёх осей координат (рисунок 1).

Рисунок 1. Гармонические синусоидальные колебания точки m:

Колебательное смещение (виброперемещение)

Колебательная скорость (виброскорость)

Колебательное ускорение (виброускорение)

Основными параметрами характеризующими вибрацию являются:

Амплитуда смещения колеблющейся точки m от положения равновесия.

Формула движения точки m:

, м (1)

где - максимальное смещение точки от положения равновесия (от оси рис.1)

Круговая частота,

Частота колебаний, Гц.

- 1 Герц (Гц) равен числу периодов колебаний в 1 секунду.

. Если, например, период одного колебания равен 1 с, то

частота Гц

Если число периодов колебаний в 1 секунду будет равно 10 , то время одного периода колебаний равно 0,1 с, и тогда Гц.

Максимальное значение амплитуды вибросмещеня по формуле (1) будет равно

Скорость колебаний (виброскорость) точки ,

Максимальное значение виброскорости (амплитуда виброскорости) , м/с

Виброускорение точки ,

Максимальное значение виброускорения по формуле (3) равно

, м/с

В общем случае физические величины, характеризующие вибрацию (например, виброскорости), являются некоторой функцией времени, т.е. . В таких случаях, по математической теории, колебательный процесс представляется в виде суммы бесконечно длящихся синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами. Это называют полигармоническим колебательным процессом. При этом процесс может быть периодическим или квазипериодическим, частотные спектры которых считаются дискретными. (рис.2а)

Если же колебательный процесс является случайным или одиночным кратковременным – спектр вибрационных параметров считается непрерывным (рис.2б).

В реальных условиях наиболее часто вибрация представляется в виде периодических полигармонических колебаний. Тогда в силу специфических свойств органов чувств человека определяющими, т.е. действующими на организм человека, являются не максимальные значения параметров вибрации (амплитуды, скорости и ускорения), а среднеквадратичные их значения (это примерно 0,67…0,75 от их максимума). Более точное определение среднеквадратичных значений виброскорости и виброускорения выполняется по формулам:

; (4)

где - число составляющих гармоник в спектре

- значения колебательной скорости и ускорения.

В практике виброизмерений абсолютные значения параметров вибрации изменяются в очень широких пределах. Например, амплитуда колебаний при морской качке доходит до 10 метров, а амплитуда колебаний на корпусе домашней электробритвы всего лишь 0,01 мм. Точно также в широких пределах изменяются скорость и ускорение. Отличие максимального значения параметров от минимально ощутимого (порогового) значения достигает , т.е. в один миллион раз максимум параметра больше его минимума. Это создаёт большие неудобства в практических расчётах и исследованиях. В целях резкого сокращения измерительных шкал, для удобства пользования, применяют логарифмические шкалы величины параметров вибрации, получившие название – уровни виброскорости , дБ и уровни виброускорений , дБ (децибел):

·
, дБ (5)

·
, дБ (6)

где - пороговое (минимально ощутимое организмом человека) значение виброскорости;

а о =1·10 -6 м/с 2 =1·10 -4 см/с 2 =1·10 -3 мм/с 2 - пороговое (минимально ощутимое организмом человека) значение виброускорения;

б) 0
a) 0
f=2 Гц
f=4 Гц
f=6 Гц
f=8 Гц
f=10 Гц
1с
1с
1с
1с
1с
f, Гц
L V
A V
t, c
f, Гц
A V
L V
t, c

Рисунок 2: Полигармонические спектры производственной вибрации.

Классификация вибрации.

Что такое вибрация. Ее источники.

В соответствии с ГОСТ 24346-80 (СТСЭВ 1926-79) Вибрация. Термины и определения. под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при которой происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

Принято различать общую и локальную вибрацию. Общая вибрация действует на весь организм человека через опорные поверхности - сиденье, пол; локальная вибрация оказывает действие на отдельные части тела.

Вибрация может измеряться с помощью как абсолютных, так и относительных параметров.

Абсолютными параметрами для измерения вибрации являются вибросмещение, виброскорость и виброускорение.

Основной относительный параметр вибрации - уровень виброскорости, который определяется по формуле

LV = 10 lg V2 / V02 = 20 lg V / V0,

где V - амплитуда виброскорости, м/c ;

V0 = 5*10-8 м/с- пороговое значение виброскорости.

Требования к параметрам вибрации установлены стандартом ГОСТ 12.1.012-90 Вибрационная безопасность. Общие требования, СН2.2.4/2.1.8.566 - 96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий.

При частотном (спектральном) анализе нормируемыми являются кинематические параметры: средние квадратичные значения виброскорости V (и их логарифмические уровни LV) или виброускорения а - для локальных вибраций в октавных полосах частот; для общий вибрации в октавных и 1/3 октавных полосах частот.

В зависимости от источника возникновения различают следующие виды вибраций:

§ локальная вибрация, передающаяся человеку от ручного механизированного (с двигателями) инструмента ;

§ локальная вибрация, передающаяся человеку от ручного немеханизированного инструмента ;

§ общая вибрация 1 категории - транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах транспортных средств, движущихся по местности, дорогам и пр." Пример: тракторы, грузовые автомобили, скутеры, мотоциклы, мопеды;

§ общая вибрация 2 категории - транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений и т. п. Пример: краны, напольный производственный транспорт;

§ общая вибрация 3 категории - технологическая вибрация, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. Пример: станки, литейные машины.

§ общая вибрация в жилых помещениях и общественных зданиях от внешних источников. Пример: вибрация от проходящего трамвая.



§ общая вибрация в жилых помещениях и общественных зданиях от внутренних источников. Пример: лифты, холодильники.

Классификация вибраций, воздействующих на человека.Вибрацию по способу передачи на человека (в зависимости от характераконтакта с источниками вибрации) условно подразделяют на:- общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего илистоящего человека;- локальную вибрацию, передающуюся через руки человека.Примечание. Вибрация, передающаяся на ноги сидящего человека и на предплечья,контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, относится клокальной вибрации.В производственных условиях нередко имеет место сочетание действий местной иобщей вибрации. По источнику возникновения вибраций различают:- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированногоинструмента (с двигателями), органов ручного управления машинами иоборудованием;- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного немеханизированногоинструмента (без двигателей), например, рихтовочных молотков разных моделей иобрабатываемых деталей;- общую вибрацию 1 категории – транспортную вибрацию, воздействующую начеловека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средствпри движении по местности и дорогам (в том числе при их строительстве).К источникам транспортной вибрации относят:Ø тракторы сельскохозяйственные и промышленные, самоходныесельскохозяйственные машины (в том числе комбайны);Ø автомобили грузовые (в том числе тягачи, катки и т.д.);Ø снегоочистители, самоходный горношахтный рельсовый транспорт;- общую вибрацию 2 категории - транспортно-технологическую вибрацию,воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся поспециально подготовленным поверхностям производственных помещений,промышленных площадок, горных выработок.К источникам транспортно-технологической вибрации относят:Ø экскаваторы, краны промышленные и строительные, машины длязагрузки мартеновских печей в металлургическом производстве;Ø горные комбайны, шахтные погрузочные машины;Ø путевые машины, бетоноукладчики, напольный производственныйтранспорт;- общую вибрацию 3 категории - технологическую вибрацию, воздействующую начеловека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочиеместа, не имеющие источников вибрации.К источникам технологической вибрации относят:станки металло- и деревообрабатывающие, кузнечно-прессовое оборудование,литейные машины, электрические машины, насосные агрегаты и вентиляторы,оборудование для бурения скважин, буровые станки, машины для животноводства,очистки и сортировки зерна (в том числе сушилки), установки химической инефтехимической промышленности и др.Общую вибрацию категории 3 по месту действия подразделяют на следующие типы:а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;б) на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и другихпроизводственных 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 работниковумственного труда;- общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внешнихисточников:Ø городского рельсового транспорта (мелкого залегания и открытыелинии метрополитена, трамвай, железнодорожный транспорт) и автотранспорта;Ø промышленных предприятий и передвижных промышленных установок(при эксплуатации гидравлических и механических прессов, бетономешалок,дробилок, строительных машин и др.);- общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внутреннихисточников: инженерно-технического оборудования зданий и бытовых приборов(лифты, вентиляционные системы, насосные, пылесосы, холодильники, стиральныемашины и т.п.), а также встроенных предприятий торговли (холодильноеоборудование), предприятий коммунально-бытового обслуживания, котельных ит.д. По частотному составу вибрации выделяют:- низкочастотные вибрации (1-4 Гц для общих вибраций, 8-16 Гц - для локальныхвибраций);- среднечастотные вибрации (8-16 Гц - для общих вибраций, 31,5-63 Гц - длялокальных вибраций);- высокочастотные вибрации (31,5-63 Гц - для общих вибраций, 125-1000 Гц -для локальных вибраций). По временным характеристикам вибрации выделяют:- постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяетсяне более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения;- непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметровизменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10мин при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемыхпараметров 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;в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких вибрационныхвоздействий (например, ударов) каждый длительностью менее 1 с.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются: амплитуда (наибольшее отклонение от положение равновесия) А, м; частота колебаний f, Гц (число колебаний в секунду); колебательная скорость V, м/с; ускорение колебаний W, м/с 2 ; период колебаний Т, сек.

Степень воздействия вибрации на физиологические ощущения человека определяется величиной колебательного ускорения и скоростью колебаний:

М/c 2 , (2.5.27)

где f- число колебаний в 1 c;

A- амплитуда колебаний, м.

Вибрация отмечается вблизи оборудования, при работе пневматического инструмента, при неправильной балансировке валов машин, при транспортировании жидкостей и газов по трубопроводам, при технологических процессах укладки бетона с применением вибрационных агрегатов.

Вибрацию не синусоидального характера всегда можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих с помощью разложения в ряд Фурье.

Для исследования вибрации весь диапазон частот (так как и для шума) разбивается на основные диапазоны. Среднегеометрические значения частот, на которых исследуют вибрацию, следующие: 2, 4, 8, 16, 31, 50, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Уровни вибраций измеряются не на каждой отдельной частоте, а в некоторых полосах (интервалах) частот октавных и третьоктавных. У октавных отношение верхних границ частот к нижней fв/fн=2, а у третьоктавных. Учитывая, что абсолютные значения параметров характеризующих вибрацию, применяются в широких пределах, на практике пользуются понятием уровней параметров виброскорости (V) и виброускорения (W).

Согласно ГОСТ 12.1.012-90 ”Вибрация, общие требования безопасности” (ССБТ). Логарифмитические уровни виброскорости Lv и виброускорения Lw определяются по формуле:

где V, W-колебательная скорость,м/с и виброускорение, м/с? ;

V 0 , Wо -пороговые значения скорости и ускорения м/с, м/с 2 .

Вибрация, воздействующая на человека, нормируется для каждого направления в каждой октавной полосе. Важное гигиеническое значение имеет частота вибраций. Частоты порядка 35-250 Гц наиболее характерные при работе с ручным инструментом, могут вызвать вибрационную болезнь со спазмой сосудов.

Частоты ниже 35 Гц вызывают изменения в нервно-мышечной системе и суставах. Наиболее опасны производственные вибрации равные или близкие к частоте колебания человеческого организма или отдельных органов и равные 6-10 Гц (собственная частота колебаний рук и ног 2-8 Гц, живота 2-3 Гц, груди 1-12 Гц). Колебания с такой частотой влияют на психологическое состояние человека. Одной из причин гибели людей в Бермудском треугольнике может являться колебание водной среды в спокойную погоду, когда частота колебаний равна 6-10 Гц. Частота колебания небольших судов совпадает с частотой колебания среды и у людей появляется чувство опасности, страха. Моряки стремятся покинуть корабль. Длительная вибрация может привести к гибели людей. Вибрация оказывает опасное действие на отдельные органы тела и организм человека в целом, нарушая нормальное функционирование нервной системы и органов, связанных с обменом веществ. Вибрация может вызывать нарушения деятельности сердечно-сосудистых и дыхательных органов, заболевания рук и суставов. Особенно опасны вибрации с большой амплитудой, которые оказывают в основном неблагоприятное действие на костно-суставный аппарат. При малой интенсивности и кратковременном воздействии вибрация оказывает даже благоприятное влияние. При высокой интенсивности и продолжительном действии вибрация может привести к развитию профессиональной вибрационной болезни, которая при известных условиях может перейти в «церебральную» форму (поражение центральной нервной системы), практически неизлечимую.

Согласно ГОСТ 12.1.012-90, ДСН 3.3.6.039-95 по способу передачи на человека, вибрация подразделяется на: общую, передающуюся через опорные поверхности на тело человека; локальную (местную), передающуюся в основном через руки человека(рис.2.5.10.).

Рис. Направление координат осей при общей вибрации (а и б) и локальной(в):

а - положение стоя; б - положение сидя; Z - вертикальная ось, перпендикулярная к поверхности; Х - горизонтальная ось от спины к груди; ось Y - горизонтальная от правого плеча к левому; при действии локальной ибрации,положение руки на сферической и цилиндрической поверхности.

Вибрация действует вдоль осей ортогональной системы координат XYZ (для общей вибрации Z-вертикальная, перпендикулярная опорной поверхности; Х - горизонтальная от спины к груди; У - горизонтальная от правого плеча к левому).

При локальной вибрации ось Хл совпадает с осью охвата, ось Zл лежит в плоскости Xл и направлена на подачу или приложение силы. Общая вибрация по источнику её возникновения подразделяется на: транспортную, возникающую при движении машин; транспортно-технологическую, возникающую при работе машин, выполняющих технологическую операцию; технологическую, которая возникает при работе стационарных машин.

Меры защиты от вибрации.
Вибробезопасные условия труда обеспечиваются:
- применением вибробезопасных машин (механизмов);
- применением средств защиты;
- организационно-технических мероприятий;
- проектировочным решением, обеспечивающими нормы вибраций на рабочих местах.
Вибробезопасность машин (механизмов) достигается:виброизоляцией их по ГОСТ 12.4.046-78 за счет установки на фундаменты, виброизолированные от пола специальные амортизаторы (прокладки из войлока,резины, пружины т.п. (рис.35, 36); балансировкой вращающихся частей; применением виброизолирующих мастик и др.
Организационно-технические меры включают: проведение проверок вибрации не реже 1 раза в год при общей вибрации и двух раз в год при локальной вибрации, а также после ремонта машин; и при начале их эксплуатации; исключение контакта работающих с вибрирующими поверхностями за пределами рабочего места или зоны (ограждения, знаки, надписи), введение определенного режима работ, недопущение к работе лиц, моложе 18 лет и не прошедших медосмотр, проведение повторного ежегодного медосмотра.
При проектировании технологического процесса и помещений предусматриваются меры снижающие вибрацию на путях ее распространения согласно ГОСТ 12.4.046-78. По этому стандарту методы виброзащиты по организационному признаку подразделяются на: методы коллективной и индивидуальной защиты - снижение вибрации воздействием на источник ее; снижение силового возбуждения вибрации уравновешиванием, балансировкой, изменением частоты вибрации, снижение вибрации на путях ее распространения; снижение вибрации при контакте оператора с вибрирующим объектом, введение дополнительных устройств в конструкцию машин и строительные конструкции (домгферы, пружины (рис.37), применение демпфирующих покрытий; снижение вибрации исключением контакта оператора - дистанционное управление, автоматический контроль, сигнализация, ограждение.
Средства виброзащиты делятся на:
- средства виброизоляции - демпфирование, упругие прокладки, введение инерционного элемента;
- средства динамического вибропогашения - ударные виброгасители (пружинные, маятниковые); динамические виброгасители (пружинные, маятниковые, эксцентриковые, гидравлические).
Средства индивидуальной защиты подразделяются на средства:
- для рук оператора (рукавицы, перчатки, вкладыши и прокладки)
ГОСТ 12.4.002-74. Средства индивидуальной защиты рук от вибрации. Общетехнические требования:
- для ног оператора (специальную обувь, подметки, наколенники)
ГОСТ 12.4.024-76. Обувь специальная виброзащитная. Общие технические требования.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ

Увеличение скоростных и силовых параметров современных машин и механизмов приводит к возрастанию динамических нагрузок, а значит и их вибрационной активности. Контакт человека с вибрирующими объектами отрицательно сказывается на его здоровье и работоспособности: повышается утомляемость, снижается производительность и качество труда. Может развиться профессиональное заболевание – вибрационная болезнь, которая в последние годы во всех развитых странах занимает второе место после болезней от пыли.

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРАЦИИ

Под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание обычно во времени значений какой – либо величины, его характеризующей (в соответствии с ГОСТ 24346–80).

Причинами возникновения вибрации являются: возвратно-поступательное движение механизмов; неуравновешенные вращающиеся массы; неоднородность материала вращающегося тела; деформация деталей от неравномерного нагрева.

Вибрацию, происходящую по синусоидальному закону, характеризуют: амплитуда виброперемещения A а – величина наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия; амплитуда виброскорости V а – максимальное значение скорости колеблющейся точки; амплитуда виброускорения а а – максимальное значение ускорения колеблющейся точки; период Т и частота колебаний f =Т - 1 . Виброскорость и виброускорение связаны с виброперемещением и частотой колебаний соотношениями:

V = 2p × f × A и a = (2p × f ) 2 × A . (12.1)

В инженерных расчетах используют логарифмические уровни колебаний L оцениваемые по следующей формуле:

L = 20 lg(b × b 0 - 1), (12.2)

где b – оцениваемое значение величины (скорость, ускорение и т.п.);

b 0 – исходное значение величины (скорости, ускорения и т.п.).

Например, уровни виброскорости L V и виброускорения L a вычисляются как:

L V = 20 × lq (V × V o - 1) и L a = 20 × lq (a × a o - 1), (12.3)

где V и а – значения соответственно виброскорости и виброускорения;

V 0 = 5 × 10 - 8 м/с и а 0 = 3 × 10 - 4 м/с 2 – исходные (пороговые) значения виброскорости и виброускорения принятые согласно международным соглашениям.

Уровни колебаний (вибрации) измеряются в децибелах (дБ).

В общем случае вибрация зависит от времени: V = V(t ) и является периодической функцией при определенных условиях, которую можно представить в виде бесконечных гармонических колебаний, частоты которых этих составляющих кратны основной частоте колебаний (процесса):

f n = n × f 1 , (12.4)

где n = 1,2,3,..;

f 1 – основная частота колебаний.

Важнейшей характеристикой вибрации является ее спектр. Периодическим и почти периодическим колебаниям соответствует дискретный спектр, непериодическим – непрерывный спектр. В общем случае спектр имеет смешанный характер.

Интенсивность вибрационных воздействий на человека, зависит от их частоты. Поэтому весь диапазон частот колебаний принято разбивать на отрезки (полосы частот) и определять уровни вибрации для каждой полосы в отдельности. При оценке вибрационной безопасности в качестве стандартных частотных полос принимают октавные полосы, для которых отношение верхних граничных частот к нижним частотам равно 2. Каждую из октавных полос принято определяют среднегеометрическим значением f c ее граничных частот, по формулам:

f c = (f max × f min ) 0,5 = 2 0,5 f min @ 1,41 f min , f max = 2 f min . (12.5)

где f min – нижняя граничная частота;

f max – верхняя граничная частота, Гц.

При необходимости октавные полосы делят на третьоктавные, для которых

Вибрация – движение точек или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений по крайней мере одной координаты.

Причины вибрации: возникновение при работе машин агрегатов не уравновешенные силовые воздействия – их источниками м. быть возвратно-поступательные движения системы, неуравновешенные вращающиеся массы, удары деталей.

Наличие дисбаланса приводит к появлению неуравновешенных сил, вызывающих вибрацию. Причиной дисбаланса м. явиться неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы тела с осью его вращения, деформация деталей от неравномерного нагреве и т. п.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:

1.амплитудное значение смещения Х М;

2.амплитудное значение виброскорости V M ;

3.амплитудное значение виброускорения а М;

4.период колебаний Т;

5.частота f.

Ввиду специфичности органов чувств определяющими при воздействии вибраций на человека являются средние квадратичные значения

Уровень виброскорости (дБ): L V = 10lg(V 2 /V 0 2) = 20lg(V/V 0)

V 0 = 5*10 -8 м/с – пороговое значение виброскоростивиброскоростиV, обусловленные действием мгновенных значени виброскоростиV(τ) и определяемые за время усредненияT y по формуле

Уроыень виброскорости(дБ): L v =10lg(v/v 0)

Уровень вибросмещения: L Х = 20lg(Х/Х 0)

Х 0 = 8*10 -12 м – пороговое значение вибросмещения

Уровень виброускорения: L а = 20lg(а/а 0)

а 0 = 3*10 -4 м/с 2 – пороговое значение виброускорения

В практике виброакустики весь частотный диапазон вибрации разбивают на октавные диапазоны. В каждом октавном диапазоне верхняя граничная частота вдвое больше нижней: f В /f H = 2. Средняя геометрическая частота:
.

Средние геометрические частоты октавных полос одинаковы и равны: 1Гц; 2Гц; 4Гц; 8Гц; 16Гц; 31,5Гц; 63Гц; 125Гц; 250Гц; 500Гц; 1000Гц; 2000Гц.

Параметры вибрации зависят от частоты колебаний, эта зависимость носит сложный характер. Для ее описания используют спектры вибраций, которые прелставляют в виде графической зависимости уровня виброскорости L v от средней геометрической частоты вибраций
.

Спектр периодического и квазипериодического процесса является дискретным, а случайного или кратковременного одиночного проыесса – непрерывным. 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.

Для повышения точности представления спектра вибраций измерение уровня виброскорости надо проводить в третьоктавных полосах частот, для которых справедливо

=.

Снидение уровня вибраций определяют, как ΔLv=L v 1 -L v 2 ,гдеL v 1,2 – уровни вибраций до и после проведения мероприятий по их уменьшению.

Измерение вибраций производят в соответствии с ГОСТ.

39.Воздействие вибрации на организм человека. Ее нормирование

По характеру воздействия: общие илокальные .

Общие – низкочастотные (0,7 - 30) Гц. Приложены к опорным поверхностям человека в положении стоя или сидя, когда вибрация вызывает сотрясение всего организма. Наиболее опасные для человека – 6-9 Гц, вследствие того, что они совпадают с собственной абсолютной частотой колебаний внутренних органов человека (резонанс). Они могут вызвать механические повреждения и разрыв органов человека. При систематическом воздействии на человека общей вибрации сfболее 1Гц могут возникнуть стойкие нарушения опорно-двигательного аппарата, нарушение ЦНС, системы пищеварения и т.д. Они проявляются в виде головных болей, головокружения, плохого сна, пониженной работоспособности, нарушения сердечной деятельности, появления радикулита.

Локальные – свыше 30-1000 Гц. Воздействуют на отдельные части тела (руки, ноги, голова). Подвергаются лица, работающие с ручным механизированным инструментом. Вызывает спазмы сосудов (онемение рук, ног) начиная с пальцев, распространяясь на всю кисть, предплечье и охватывает сосуды сердца - нарушая снабжение кровью. Воздействует на мышечные, костные, нервные ткани, что приводит к снижению чувствительности кожи, окостенение сухожилий мышц, отложение солей в суставах пальцев и кистей. Наиболее отрицательные влияния протекают под воздействием вибрации при работе при пониженной температуре.

Комплекс болезненных изменений в организме, вызываемых воздействие вибрации, называют вибрационной болезнью . Это заболевание эффективно лечится только на ранней стадии. Тяжелые формы виброболезни приводят в инвалидности.

Взаимодействие организма человека с изменяющимися условиями внешней среды всегда приводит к перестройке его энергетического и материального баланса, сопровождающейся трансформацией внутренней энергии в организме и изменением происходящих в нем обменных процессов, формирующих, в конечном счете ответную реакцию всего организма на действие внешнего раздражителя.

Вибрация, являясь физически воздействующим фактором, приводит частицы тела в колебательное движение, вызывая изменение их состояния в виде смещения центра тяжести, деформации и возникновения в них внутренних напряжений, что сопровождается затратой механической энергии, получаемой от источника колебаний в зоне контакта тела с вибрирующими поверхностями.

Количество получаемой энергии определяется длительностью воздействия вибраций и величиной мгновенной мощности воздействующего колебательного процесса или же площадью контакта и интенсивностью вибраций, поскольку интенсивность колебательного процесса численно равна его мощности, отнесенной к единице площади, перпендикулярной направлению распространения колебаний.

В условиях разных частот и амплитуд колебаний изменение порогов восприятия при действии вибраций происходит по закону пропорциональности воздействующей колебательной энергии. Это значит, что адекватным физическим критерием для гигиенической оценки вибрации при прочих равных условиях является колебательная скорость, а не смещение или ускорение.

Различа.т гигиеническое и техническое нормирование производственных вибраций.

В 1 случае производят ограничение параметров вибрации рабочих мест и поверхности контакта с руками работающих, исходя из физиологических требований, исключающих возникновение вибрационной болезни.

Во 2 случае осуществляют ограничения параметров вибрации с учетом не только указанных требований, но и технически достижимого на сегодняшний день для данного вида машин уровня вибрации.

Нормирован величиной, как для локальной, так и для общей вибрации по ГОСТ является уровень виброскорости в октавных полосах частот.

Теннологическая - 108 99 93 92 92 92 - - - -

Гигиенические нормы вибрации установлены для длительности рабочей смены 8ч.

Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника ее возникновения и делится на вибрации:

    Транспортную, которая возникает в результате движения машин по местности и дорогам(в том числе при строительстве)

    Транспортно-технологическую, которая возникает при движении подъемных кранов, экскаваторов

    Технологическую, которая возникает при работе стационарных машин, установок, вентиляторов, компрессорных и насосных установок или передается на рабочие места, не имеющие источников вибраций.

Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости от времени фактического воздействия вибрации, не превышающего 480 мин, определяется по формуле v r =v 480 .

При регулярных перерывах воздействия локальных вибраций в течение рабочей смены допустимые значения уровня виброскорости следует увеличивать на значения, приведенные ниже.

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/с 2) 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;

υ 0 и а 0 – пороговые значения виброскорости и виброускорения. υ 0 =5*10 -8 м/с, а 0 =3*10 -4 м/с 2 . 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.

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

Стадии вибро-болезни Форма виброболез-ни, вид вибрации Симптомы
I – начальная Церебральная Общая Нарушение сна, эмоциональная неустойчивость, легкие нарушения чувствительности, пониженная температура ног, болезненность в икрах, утомляемость ног, незначительные изменения перифе-рических нервных окончаний
Периферическая Локальная Периодические нерезко выраженные боли в руках, легкие расстройства болевой и вибрационной чувствительности пальцев, незначительные изменения мышц плечевого пояса
II – умерено-выраженная Церебральная Общая Головокружение, непереносимость тряски, частые головные боли, изменения в вестибулярном аппарате, нарушения в центральной нервной системе (невротические реакции)
Периферическая Локальная Выраженные сосудистые кризы, приступы спазм и побеления пальцев («мертвые пальцы»), сменяющиеся синюшностью, резкие снижения кожной температуры на кистях (руки холодные и мокрые), пальцы отечные, сильные боли в мышцах рук, функциональные изменения центральной нервной системы
III – выраженная Церебральная Общая Выраженные изменения центральной нервной системы, вестибулярные расстройства с приступами головокружения, непереносимость вибрации, постоянные головные боли, невротические реакции, изменения имеют необратимый характер
Периферическая Локальная Поражение высших отделов центральной нервной системы, сосудистые нарушения верхних и нижних конечностей, кризы, распространяющиеся на область коронарных сосудов, приступы головокружения, полуобморочные состояния

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)

Для локальной вибрации корректированные нормативные значения (по осям X л, Y л, Z л) по виброускорению составляют 2,0 м/с 2 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

Вид вибрации Категория вибрации по санитарным нормам Направление действия Нормативные, корректированные по частоте и эквивалентные корректированные значения
виброускорения виброскорости
м с(-2) дБ м с(-1) 10(-2) дБ
Локальная Xл, Yл, Zл 2,0 2,0
Общая Zo 0,56 1,1
Yo, Xo 0,4 3,2
Zo, Yo, Xo 0,28 0,56
3 тип "а" Zo, Yo, Xo 0,1 0,2
3 тип "в" Zo, Yo, Xo 0,014 0,028

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

Вид вибрации Допустимый уровень виброскорости, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
31,5
Общая транспортная Вертикальная Горизонтальная - - - - - - - -
Транспортно-технологическая - - - - -
Технологическая - - - - -
В производственных помещениях, где нет машин, генерирующих вибрацию - - - - -
В служебных помещениях, эвакопунктах, конструкторских бюро, лабораториях - - - - -
Локальная вибрация - - -

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:

где ρ – плотность среды (кг/м 3);

ρ*с – удельное акустическое сопротивление (Пас/м), равное 410 Па*с/м для воздуха, 1,5*10 6 Па*с/м – для воды, 4,8*10 7 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/м 2) - это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади по­верхности, через которую она распространяется

где р - звуковое давление, Па;

р 0 - пороговое звуковое давление, равное 2 10 -5 Па.

Уровень интенсивности звука

, (8)

где I - интенсивность звука, Па;

I 0 - пороговая интенсивность звука, равная 10 -12 Вт/м 2 . 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 (f 1 /f 2 = 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 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.