Вибрация

• Понятия… Одним из существенных факторов опасного и вредного влияния на человека является вибрация. С физической точки зрения вибрация – это механические колебания упругих тел, проявляющиеся в перемещении их центра тяжести или оси симметрии в пространстве, а также в периодическом изменении ими формы, которую они имели в статическом состоянии. Причиной возникновения вибрации являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. В одних случаях их источником являются возвратно-поступательные движущиеся системы, в других – неуравновешенные вращающиеся массы. Вибрация характеризуется частотой (Гц), амплитудой вибрации (мм), амплитудой виброскорости (мм/с). Виброскорость находится в прямой зависимости от частоты колебаний и амплитуды смещения V=2×π×f×A=ω×A, где V – скорость колебаний, мм/с;

f – частота колебаний, Гц; A – амплитуда смещения при гармоническом колебательном движении, т.е. величина наибольшего отклонения от положения равновесия, мм; ω – круговая частота, т.е. число полных колебаний, совершаемых за время, равное 2πf, 1/С. По аналогии с шумом важной характеристикой вибрации является ее уровень L, измеряемый в децибелах, который определяется по формуле L=2×lgv/5×10^–8,где v – среднеквадратичная скорость, м/с; 10^-8 – пороговая виброскорость, м/с.

Воздействие вибраций на человека определяется их амплитудой и частотой.

Нормируемыми параметрами вибрации являются: 1. Амплитуда вибросмещения при одночастотных гармонических или полигармонических (когда в пределах каждой октавной полосы находится не более одной гармонической составляющей) колебаниях рабочего места. 2. Среднеквадратичная (эффективная) виброскорость, если в пределы одной октавы попадает более одной гармонической составляющей или вибрации имеют сплошной спектр. Допустимые параметры общей вибрации на рабочих местах дополняются поправкой на продолжительность воздействия в течение рабочего дня.

• Влияние… Вместе с развитием техники возникла проблема влияния вибрации на организм человека, так как при длительном и интенсивном воздействии вибрации может возникнуть так называемая вибрационная болезнь с характерной полиморфной (многообразной) клинической картиной. Клиника и характер течения вибрационной болезни определяются основными физическими параметрами вибрации, суммарным временем ее воздействия, местом и площадью соприкосновения с вибрирующим источником, а также сопутствующими гигиеническими факторами (шумом, физическим напряжением, микроклиматом). Вибрационная болезнь относится к группе заболеваний, где восстановление нарушенных функций протекает медленно, от нескольких месяцев до нескольких лет, и возможно лишь на ранней стадии. Общепринято деление воздействующей на человека вибрации на общую и местную. Общая вибрация вызывает колебание всего тела. Под местной вибрацией понимают приложение колебаний к ограниченному участку тела, например к рукам, при работе с ручным механизированным инструментом. Наиболее опасны вибрации в диапазоне собственных колебаний всего человеческого тела (3-6 Гц). Колебания в диапазоне 6-11 Гц вызывают резонансные колебания отдельных частей тела: головы – 20-30 Гц, глазного яблока – 60-90 Гц. При колебаниях в диапазоне 10-100Гц происходят функциональные расстройства ряда внутренних органов и ухудшение зрения. Уровни предельно допустимых вибраций для операторов технологического оборудования представлены в СН 245–71, а самоходных машин – СН1102–73 и ГОСТ 12.1.012–78 “Вибрация. Общие требования безопасности». Длительное воздействие вибрации вызывает поражение: а) центральной нервной системы; б) сердечно-сосудистой системы; в) опорно-двигательного аппарата; г) слухового и вестибулярного анализаторов; д) функций эндокринной системы и может привести к развитию профессионального заболевания со стойким снижением трудоспособности.

Изменения, вызываемые вибрацией, подчиняются энергетической закономерности, и адекватным параметром для оценки воздействия вибрации является мощность колебаний, пропорциональная среднеквадратичной колебательной скорости и сопротивлению структур тела колебательному движению. Наиболее сильное влияние оказывает вибрация на центральную нервную систему от чего: а) снижается возбудимость коры головного мозга и замедляются условные и безусловные рефлексы; б) ослабляется память, снижается скорость восприятия информации, снижается внимание и увеличивается число ошибок; в) увеличивается время зрительной и двигательной реакций и нарушается координация движений; повышается артериальное давление, вызывающее эмоциональную неустойчивость; г) расстраивается периферическая сосудистая система, увеличивается спазм сосудов. Снижается также острота осязания, зрения и слуха. Вибрационные воздействия сопровождаются определенными изменениями функционального состояния щитовидной железы, причем характер этих изменений согласуется со временем действия вибрации. Вначале происходит повышение активности клеток, а при длительном воздействии – истощение. Действие вибрации проявляется и на органах воспроизводства – возникает бесплодие и снижение функции воспроизводства.

• Нормирование… Вибрация нормируется рядом ГОСТов, основными из которых является, например, ГОСТ 12.1.012–78 «Вибрация. Основные требования безопасности». Гигиеническую оценку вибрации, воздействующей на человека в производственных условиях, производят при помощи специального анализа, интегральной оценки по частоте нормируемого параметра и дозы вибрации. Нормируемыми параметрами при спектральном анализе являются средние квадратические значения виброскорости (или их логарифмические уровни относительно пороговой виброскорости 5·10^-8м/с) или виброускорения для локальной вибрации в октавных полосах частот, а для общей вибрации – в октавных или третьеоктавных полосах частот. При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение контролируемого параметра (виброскорости или виброускорения), вычисляемое по формуле U=(åU_i²×K_i²)^0,5,где U – среднее квадратическое значение контролируемого параметра в i-й частотной полосе; K– весовой коэффициент, зависящий от вида параметра, частоты и полосы фильтрации, находящийся в пределах 0,1-1,0. При оценке дозы вибрации нормированным параметром является эквивалентное корректированное значение U, вычисленное по формуле U_экв=[(åU_t²(t)dt)/t]^0,5, где U_t – мгновенное корректированное значение параметра вибрации в момент времени t; t– время воздействия вибрации за рабочую смену (8 часов). ГОСТ 17770–78 определяет нормы вибраций для ручных машин. Общий подход к нормированию вибраций – ограничение колебательной скорости или виброскорости. По ГОСТ 12.1.012–78 установлены виды вибрации по способу передачи на человека: общая, которая передаётся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека; локальная, которая передаётся через руки человека. Общую вибрацию по источнику ее возникновения подразделяют на три категории: 1) транспортная вибрация, воздействующая на оператора подвижной машины; 2) транспортно-технологическая вибрация, воздействующую на оператора с ограниченным перемещением; 3) технологическая вибрация, воздействующую на оператора стационарной машины или передающаяся на рабочее место от соседних источников вибрации. Для видов вибрации, не нашедших отражение в ГОСТ 12.1.012–78 (например, при совместном действии локальной и общей вибрации, шума и вибрации и др.), допустимые величины уровня вибраций должны быть приведены в стандартных или технических условиях на конкретные виды оборудования. ГОСТ 17770–72 «Машины ручные. Допустимые уровни вибрации», устанавливает допустимые логарифмические уровни среднеквадратичной скорости вибрации в октавных полосах частот для основных типов ручных машин. Он охватывает машины ударного, ударно-поворотного, ударно-вращательного действия, предназначенные для разрушения горных пород (отбойные молотки, горные сверла, перфораторы). Наряду с этим также машины ударного, ударно-поворотного, ударно-вращательного действия для промышленности и строительства (шлифовальные машины, рубильные молотки, клепальные молотки, электрические перфораторы, сверлильные машины и др.). Имеются стандарты на методы измерения вибрационных параметров ручных машин и на средства вибрационных испытаний отдельных типов машин: ГОСТ 16519–78 «Методы измерения вибрационных параметров»; ГОСТ 16844–80 «Средства испытаний пневматических электрических молотков. Технические требования». Методы измерения вибрации на рабочих местах, установлены ГОСТ 12.1.043–84.

• Защита… Борьба с вибрацией должна начинаться на стадии конструирования машин и проектирования технологических процессов. При конструировании машин и агрегатов необходимо изыскивать конструктивные решения для безударного взаимодействия деталей и плавного обтекания их воздушными потоками. Для снижения уровня вибраций редукторов целесообразно применять шестерни со специальными видами зацеплений – глобоидными, шевронными, двушевронными вместо обычных шестерен с прямым зубом. Большое значение при этом имеет повышение класса точности обработки и уменьшение шероховатости поверхности шестерен. Особое значение следует придавать выбору рабочих режимов механизмов. Указанные зависимости наблюдались также в других машинах и агрегатах, в частности в подшипниковых узлах металлорежущих станков. Для снижения уровня вибраций шпиндельных узлов вместо подшипников качения желательно использовать подшипники скольжения. Причиной низкочастотных вибраций насосов, компрессоров, двигателей является неуравновешенность вращающихся элементов. Устранение неуравновешенности вращающихся масс достигается балансировкой в соответствии с ГОСТ 22061–76. Для ослабления вибраций существенное значение имеет исключение резонансных режимов работы, т.е. отстройки собственных частот агрегата и его отдельных узлов и деталей от частоты вынуждающей силы. Собственные частоты отдельных конструктивных элементов определяют либо расчетным путем, либо экспериментально на специальных стендах. Резонансные режимы при работе технологического оборудования устраняют либо изменением характеристик системы (массы или жесткости), либо установлением нового рабочего режима.Одним из эффективных методов уменьшения вибрации является вибродемпфирование, которое заключается в превращении энергии механических колебаний данной колеблющейся системы в тепловую энергию. Это достигается, например, за счет применения материалов с большим внутренним трением или нанесением на вибрирующие поверхности упруго-вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение. Следующим эффективным методом борьбы с вибрацией служит виброизоляция. Виброизоляция (в том числе стен, полов, потолков, механизмов и т.д.) – это способность препятствовать распространению по ним волны колебательной энергии. Для виброизоляции машины (механизма) необходимо установить ее на виброизоляторы, а также виброизолировать подходящие к ней коммуникации. Применяют одно-, двух-, а иногда и трехзвенную схемы виброизоляции.

Одним из способов эффективного подавления вибрации является так называемое динамическое гашение. Принцип динамического гашения вибрации состоит в присоединении к объекту виброзащиты дополнительных устройств с целью изменения его вибрационного состояния в основном без перевода колебательной энергии в тепловую. Динамические виброгасители представляют собой дополнительную колебательную систему с массой т и жесткостью g, собственная частота которой f₀ настроена на основную частоту f колебаний данного агрегата, имеющего массу M и жесткость G.

При реализации динамических виброгасителей противодействие колебаниям механизма осуществляется за счет реакций, передаваемых на него присоединенными виброгасителями, масса которых составляет 5-20 % приведенной массы исходной системы. Наряду с общими средствами, в промышленности широко используются достаточно эффективные и дешевые средства индивидуальной защиты. Эти средства защиты от вибрации можно разделить на средства защиты отдельных органов и всего организма человека в целом. В нормативных документах, например, ГОСТ 12.4.002–74, на средства индивидуальной защиты при работе с ручным инструментом, в котором изложены общие технические требования к ним. К средствам индивидуальной защиты относятся рукавицы, перчатки, виброзащитные прокладки и пластины, которые снабжены креплениями на руке. Для профилактики вибрационной болезни работникам рекомендуется специальный режим труда.