Биологическое значение производственных источников вибрации

 

Вибрация как фактор производственной среды встречается во всех отраслях промышленности: металлообрабатывающей, горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, строительной, авиа - и судостроительной промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях. Производственные вибрационные процессы используются в уплотнении, формовании, прессовании бетона, других материалов, вибрационном бурении, рыхлении, резании горных пород и грунтов, транспортировке грунта и т.д. Вибрацией сопровождается работа передвижных и стационарных механизмов и агрегатов, в основу действия которых положено вращательное или возвратно-поступательное движение.

Существующие исследования по изучению биологической значимости физических параметров вибрации позволяют заключить, что наиболее актуальными и подлежащими регламентированию являются величины виброскорости в октавных полосах среднегеометрических частот.

На практике, общая вибрационная волна, сотрясающая машину, оборудование, инструмент, состоит из множества более мелких волн, имеющих собственную частоту колебаний. Измеряемый частотный диапазон производственных вибраций от долей герца до 8000 герц. Этот ряд чисел разбивают на участки с нарастающим итогом: каждый последующий участок в два раза больше предыдущего. Для этого применяется простейший расчёт геометрической средней.· Полученные участки называют "октавами". Октава – это диапазон частот, в котором верхняя граница частоты колебаний вдвое больше нижней. Например, если начинать с 1 герца, то получим ряд: 2 Гц, - 4 Гц – 8 Гц – 16 Гц -…

Отсюда и название: "октавные полосы (дБ) среднегеометрических частот (Гц)". Октава с частотой 4 Гц охватывает область от 2 Гц до 8 Гц. Следующая октава с частотой 8 Гц - от 4 Гц до 16 Гц.

Вибрационный измеритель определяет интенсивность колебаний в единицах виброскорости или ускорения (дБ, м/сек, м/сек²), распределяя (разлагая) энергию общей волны по полосам частотных диапазонов (октавам).Для этого применяются специальные электрические фильтры, состоящие из резистора или конденсатора и катушки индуктивности. Основой схемы являются методы гармонического разложения (разложение функции по Фурье, например).

Различают низкие частоты – до 250 Гц, средние частоты – до 800 Гц и высокие частоты вибрации – до 8000 Гц.

Изменения в организме, возникающие при воздействии вибрации, связаны с энергией колебания, которая пропорциональна среднеквадратичной величине колебательной скорости. Величина колебательной энергии, поглощаемой телом человека (Q), прямо пропорциональна площади контакта (точки контакта), времени воздействия и интенсивности раздражителя:

(13)

где: S - площадь контакта, м², Т - длительность воздействия, сек, J - интенсивность вибрации, км / м ² /сек.

Особое значение в гигиенических характеристиках действия вибрации принадлежит понятию "точка контакта" – месту приложения вибрационных сил, передающихся на тело работника. Как правило, расположение "точки контакта" зависит от вида вибрации. При общей вибрации эта точка находится на ягодицах (рабочая поза - сидя) или на ступнях (рабочая поза - стоя). При локальной вибрации - дистальные отделы конечностей. Общая вибрация влияет непосредственно на рабочих местах управления машиной, местная – влияет при использовании ручных инструментов.

Интенсивность (сила действия) вибрации прямо пропорциональна квадрату колебательной скорости:

(14)

где: V - среднеквадратичное значение колебательной скорости, м / сек;

Z / S - модуль входного удельного механического импеданса в зоне контакта, кг / сек / м³.

В формуле 14 механический импеданс определяется как отношение колебательной силы к результирующей колебательной скорости в точке приложения этой силы. Напомним: импеданс – полное сопротивление среды для любого волнового процесса распространения энергии.

Колебательная энергия, попадая на точку контакта с телом человека, встречает иную среду, чем та, в которой она распространялась. Переход волнового процесса из одной среды в другую станет понятным, если вспомнить переход светового луча через стеклянную призму: часть света поглощается стеклом, часть проходит через него, но уже в несколько ином направлении и в ином составе. Аналогичные процессы возникают и при прохождении акустической волной препятствия – за ним образуется "мёртвая зона", на границе которой волна уже имеет другие параметры.

Попадая на тело человека, вибрационная волна изменяет свои параметры за счёт поглощения энергии. Поэтому полное сопротивление среды при соприкосновении части тела (или всего тела) с вибрирующей поверхностью описывается отношением прилагаемой и усвоенной силы воздействия на площадь контакта. Одно дело, если точка контакта действительно является "точкой" и происходит передавливание отдельных сосудов. Другое дело, когда площадь контакта достаточно большая (например, ягодицы) и происходит сотрясение всего тела. Сказанное объясняет разницу между действием локальной (местной) и общей вибрации.

Гигиеническую классификацию производственной вибрации более подробно обсудим в следующем разделе.

Локальная вибрация. Наибольшее распространение в промышленности получили ручные машины. К ним относят: клепальные, рубильные и отбойные молотки, бурильные перфораторы, бетоноломы и трамбовки, а также гайковерты, поверхностные и глубинные ручные вибраторы, шлифовальные машины, дрели, сверла, бензомоторные и электрические пилы. Для вибрации ручных машин ударного действия характерны высокие энергетические уровни по всем частотам спектра, но наибольшая энергия определяется на высоких частотах. Расположение пиковых значений виброскорости в широком спектре колебания ручных машин различно.

Ппевмотрамбовки, гайковерты, горные сверла создают вибрацию с высокими уровнями в области низких (8 - 32 Гц) частот.

Максимальные уровни колебательной скорости пневматических отбойных молотков, бурильных перфораторов с числом ударов в 1 мин до 2000 (приблизительно 30 Гц), а также ручных вибраторов для уплотнения бетона чаще всего находятся в области низких, средних и отчасти высоких частот (16 - 125 Гц).

Вибрация пневматических рубильных, клепальных молотков, бурильных перфораторов с числом ударов свыше 2000 в 1 мин, шлифовальных машин, бензомоторных пил характеризуется наивысшей энергетикой на средних и высоких частотах (максимальные уровни в области частот 32 — 2000 Гц).

В настоящее время причинами повышения уровня виброскоростей, и соответственно, локального вибрационного воздействия, являются:

1. Изменение физико-химических свойств обрабатываемого изделия (повышение твердости),

2. Увеличение давления воздуха в сети пневмоинструмента,

3. Увеличение длины вставного инструмента для рубильных молотков (увеличение плеча приложения силы),

4. Увеличение диаметра заклепки для клепальных молотков,

5. Увеличение длины буровой штанги и степени ее искривления для перфораторов, горных сверл;

6. Увеличение шероховатости поверхности, изношенности абразивных кругов, ухудшение центровки для шлифовальных машин;

7. Увеличение скоростей обрабатываемых изделий. Так, увеличение скорости распиловки повышает интенсивность вибрации на рукоятках электро - и бензомоторных пил.

8. Величина вибрации возрастает в первую очередь из-за изношенности и неисправности машины.

Разновидностью локальной вибрации является импульсная (ударная) вибрация, которую генерируют ручные машины одно - и редкоударного действия, кузнечнопрессовое оборудование, ручной немеханизированный инструмент ударного действия, а также обрабатываемые ими детали и приспособления для удержания этих деталей.

К локальной импульсной вибрации может быть отнесена вибрация, состоящая из одного или нескольких вибрационных воздействий (одиночных ударов или их серий), каждый длительностью менее 1 сек при частоте их следования менее 5 - 6 Гц (5 – 6 ударов в секунду).

Этот вид вибрации имеет отличительные особенности, которые обсудим в дальнейшем изложении.

Ручные немеханизированные инструменты (слесарные молотки, кувалды, биты и т.п.) создают импульсы малой длительности (1-30 мс). На ручных машинах (гвозде - скобо - скрепозабивные машины, гайковерты), обрабатываемых деталях и приспособлениях для их удержания (кузнечные клещи и т.п.) возникают импульсы с большими длительностями (30-1000 мс).

К факторам, усугубляющим воздействие вибрации ручных машин на организм, относится шум высокой интенсивности (80-95 дБА), неблагоприятные метеорологические условия, пониженное и повышенное атмосферное давление и др.

При работе с ручными пневматическими машинами имеет место охлаждение рук отработанным воздухом и холодным металлом корпуса машины. Неблагоприятные метеорологические условия могут иметь место в больших литейных и обрубных цехах, на стапелях, в забоях. На открытых стапелях, при производстве обрубных и клепальных вибрационных работ, метеорологические условия снаружи полностью определяются климатом данного района и ежедневными метеорологическими условиями. В трюме корабля зимой температура воздуха почти всегда на 5⁰ С ниже, чем на открытой местности из-за поглощения тепла железным корпусом корабля (вспомним законы передачи тепла!!!).

Усиление действия вибрации обуславливают неблагоприятные климатические условия Крайнего Севера, Дальнего Востока и др. Это же относится к работам в карьерах, на открытых горных выработках, при распиловке леса.

Чрезвычайно существенным фактором, усугубляющим воздействие вибрации на организм человека при работе с ручными машинами, является статическое мышечное напряжение.