Воздействие вибрации на организм человека

Вибрация относится к факторам, обладающим высокой биологической активностью. Выраженность ответных реакций обусловливается главным образом силой энергетического воздействия и биомеханическими свойствами человеческого тела как сложной колебательной системы. Мощность колебательного процесса в зоне контакта и время этого контакта являются главными параметрами, определяющими развитие вибрационных патологий, структура которых зависит от частоты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий. В таблице 1 представлены виды вибрационной патологии.

Вибрационная патология среди профессиональных заболеваний стоит на втором месте (после пылевых). Рассматривая нарушения состояния здоровья при вибрационном воздействии, следует отметить, что частота заболеваний определяется величиной дозы, а особенности клинических проявлений формируются под влиянием спектра вибраций. Выделяют три вида вибрационной патологии от воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.

При действии на организм общей вибрации страдает, в первую очередь, нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Вибрация является специфическим раздражителем для вестибулярного анализатора, причем линейные ускорения – для отолитового аппарата, расположенного в мешочках преддверия, а угловые ускорения – для полукружных каналов внутреннего уха.

У рабочих вибрационных профессий отмечены головокружения, расстройство координации движений, симптомы укачивания, вестибуловегетативная неустойчивость. Нарушение зрительной функции проявляется сужением и выпадением отдельных участков полей зрения, снижением остроты зрения, иногда до 40 %, субъективно – потемнением в глазах. Под влиянием общих вибраций отмечается снижение болевой, тактильной и вибрационной чувствительности. Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных тканей с последующими реактивными изменениями. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные процессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, биохимических показателей крови.

Таблица 1

Виды вибрационной патологии

Стадии виброболезни	Форма  виброболезни	Симптомы
1	2	3
I-начальная	Церебральная общая	Нарушение сна, эмоциональная неустойчивость, легкие нарушения чувствительности, пониженная температура ног. Болезненность в икрах, утомляемость ног. Незначительные изменения периферических нервных окончаний и сосудов ног
	Периферическая локальная	Периодически Нерезко выраженные боли в руках, лекгкие расстройства болевой и вибрационной чувствительности пальцев, незначительные изменения мышц плечевого пояса
II-умеренно-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 побеление пальцев («мертвые пальцы»), сменяющиеся синюшностью, резкие снижения кожной температуры на кистях (руки холодные и мокрые), пальцы отечные, сильные боли в мышцах рук, функциональные изменения в центральной нервной системе
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 отелов центральной нервной системы, сосудистые нарушения верхних и нижних конечностей, кризы, распространяющиеся на область коронарных сосудов, приступы головокружения, полуобморочные состояния

 

К факторам производственной среды, усугубляющим вредное воздействие вибраций на организм, относятся чрезмерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклиматические условия, особенно пониженная температура, шум высокой интенсивности, психоэмоциональный стресс. Охлаждение и смачивание рук значительно повышают риск развития вибрационной болезни за счет усиления сосудистых реакций.При совместном действии шума и вибрации наблюдается взаимное усиление эффекта в результате его суммации, а возможно, и потенцирования.

 

Нормирование вибрации

Нормирование вибрации осуществляется по ГОСТ 12.1.012—90 и СН 2.2.4/2.1.8.566—96. Показателями интенсивности служат среднеквадратические или амплитудные значения виброускорения, виброскорости или виброперемещения, измеренные на рабочем месте. Допустимые значения устанавливаются отдельно для общей и локальной вибрации. Общая вибрация нормируется в диапазонах октавных полос со среднегеометрическими значениями частот 2, 4, 8, 16, 31,5, 63 Гц (для транспортной вибрации дополнительно нормируется вибрация в октавной полосе c f _cг = 1 Гц). Локальная вибрация нормируется в диапазонах частот с f _cг = 16, 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. При оценке интенсивности вибрации наряду с размерными величинами используют логарифмические уровни вибраций (дБ):

,

где ω – измеряемый кинематический параметр вибрации (виброперемещение, виброскорость, виброускорение); ω₀ – начальное значение соответствующего параметра (x ₀ = 8·10^–12 м, υ ₀ = 5·10^–8 м/с, а ₀ = 3·10^–4 м/с²).

Нормы установлены для продолжительности рабочей смены в 8 часов. Допустимые значения уровня виброскорости представлены в табл. 2 по СН 2.2.4/2.1.8.556-96 (извлечения) и в табл. 3 на рабочем месте человека-оператора по ГОСТ 12.1.012–90.

Таблица 2

Гигиенические нормы вибрации по СН 2.2.4/2.1.8.556-96 (извлечения)

Вид вибрации	Допустимый уровень виброскорости, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
	1	2	4	8	16	31,5	63	125	250	500	1000
Общая транспортная
вертикальная горизонтальная	132 122	123 117	114 116	108 116	107 116	107 116	107 116	- -	- -	- -	- -
Транспортно-технологическая	-	117	108	102	101	101	101	-	-	-	-
Технологическая	-	108	99	93	92	92	92	-	-	-	-
В производственных помещениях, где нет машин, генерирующих вибрацию	-	100	91	85	84	84	84	-	-	-	-
В служебных помещениях, здравпунктах, конструкторских бюро, лабораториях	-	91	82	76	75	75	75	-	-	-	-
Локальная вибрация	-	-	-	115	109	109	109	109	109	109	109

Защита от вибрации

Амплитуда скорости вибрации (виброскорости) υ _т может быть определена по формуле

,                           (1)

где F_m – амплитуда возмущающей вибросилы, Н; μ – коэффициент сопротивления, Н*с/м; f – частота вибрации, Гц; т – масса системы, кг; с – коэффициент жесткости системы, Н/м.

На основе анализа формулы (1) можно сделать следующие выводы: для уменьшения виброскорости v_m необходимо снижать силу f (снижать виброактивность машины) и увеличивать знаменатель, а именно – повышать сопротивление системы μи не допускать, чтобы . При равенстве этих членов наступает явление резонанса и уровень вибрации резко возрастает.

Таблица 3

Допустимые значения уровней вибрации на рабочем месте
человека-оператора по ГОСТ 12.1.012–90

Вид вибрации	Направления, по которым нормируются вибрации	Среднеквадратические значения виброскорости, м/с · 10^–2 Их уровни, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц, не более
		1	2	4	8	16	31,5	63
Транспортная	По оси Z	20 132	7,1 123	2,5 114	1,3 108	1,1 107	1,1 107	1,1 107
	По осям X и Y	6,3 122	3,5 177	3,2 116	3,2 116	3,2 116	3,2 116	3,2 116
Транспортно-технологическая	По осям Z, X и Y	–	3,5 177	1,3 108	0,63 102	0,56 101	0,56 101	0,56 101
Технологическая на постоянных рабочих местах в производственных помещениях предприятий; в машинно-котельных отделениях, центральных постах управления; производственных помещениях		–	1,3 108	0,45 99	0,22 93	0,2 92	0,2 92	0,2 92
В складах, столовых, бытовых, дежурных, производственных помещениях, где нет машин, генерирующих вибрации		–	0,5 100	0,18 91	0,089 85	0,079 84	0,079 84	0,079 84
В заводоуправлениях, лабораториях, учебных пунктах, конструкторских бюро, вычислительных центрах, здравпунктах, конторских помещениях и других помещениях для работников умственного труда		–	0,18 91	0,063 82	0,032 76	0,028 75	0,028 75	0,028 75

 

Таким образом, для защиты от вибрации необходимо применять следующие методы:

– снижение виброактивности машин (уменьшение силы F_m);

– отстройка от резонансных частот (2πfm ≠ c/2πf);

– вибродемпфирование (увеличение μ);

– виброгашение (увеличение т) — для высоких и средних частот;

– повышение жесткости системы (увеличение с) — для низких и средних частот;

– виброизоляция;

– применение индивидуальных средств защиты.

Виброизоляция заключается в уменьшении передачи колебаний от источника возбуждения защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними. Для виброизоляции чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок, пружин или их сочетания. Эффективность виброизоляторов оценивают коэффициентом передачи, равным отношению амплитуды виброперемещения, виброскорости, виброускорения защищаемого объекта или действующей на него силы к соответствующему параметру источника вибрации:

Виброизоляция только в том случае снижает вибрацию, когда КП < 1. Чем меньше КП, тем эффективнее виброизоляция. Для виброизолированных систем, в которых можно пренебречь трением:

                                     (2)

где f – частота вынужденных колебаний; f₀ – собственная частота виброизолированной системы. Как видно из приведенной формулы, только при ,  т. е., снижает передачу вибрации на защищаемый объект. По конструктивным и экономическим соображениям существует оптимальное значение  что соответствует .

Собственная частота виброизолированной системы . Умножив числитель и знаменатель подкоренного выражения на g – ускорение свободного падения, получим f₀ = 1/2π . Так как mg – сила тяжести машины, a  – статическая осадка виброизоляторов под действием силы тяжести машины, то

f₀ = 1/2π                                          (3)

Т. е. чем больше статическая осадка виброизоляторов под действием веса машины, тем меньше f₀, а значит меньше КП и лучше виброизоляция.

Эффективность виброизоляции в дБ можно определить по формуле

                            (4)