Оценка действия вибрации на организм человека и ее нормирование

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО – ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра электротехники и электроники

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ВИБРАЦИЙ И МЕТОДОВ БОРЬБЫ С НИМИ

Методические указания к лабораторной работе

Набережные Челны

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ВИБРАЦИЙ И МЕТОДОВ БОРЬБЫ С НИМИ

Цель работы: - Изучить вибрационные процессы в механизмах и машинах;

- определить параметры общей и локальной вибрации и ее нормирование;

- изучить приборы для контролирования вибрации;

- изучить методы и способы снижения уровня вибрации на механизмы и организм работающих и научится определять эффективность виброзащиты.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вибрацией называется механическое колебание упругих тел, проявляющееся в перемещении центра их тяжести или оси симметрии в пространстве. Вибрация - механическое колебательное движение, источником которых на производстве являются некоторые виды ручных инструментов, станков, машин и механизмов. Причиной возникновения вибрации являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия.

Наличие дисбаланса во всех случаях приводит к появлению неуравновешенных центробежных сил, вызывающих вибрацию. Причиной дисбаланса может явиться неоднородность материала вращающего тела, несовпадение центра массы тела и оси вращения, деформация деталей от неравномерного нагрева при горячих и холодных посадках и т.п.

Обычно вибрация возникает в результате воздействия на детали и узлы машин периодической внешней силы - возмущающей силы. Колебания, вызванные это силой, называются вынужденными и продолжаются до тех пор, пока действует возмущающая сила. Характер вынужденных колебаний определяется как свойствами внешнего воздействия, так и параметрами колеблющейся системы. После прекращения действия возмущающей силы колебания выведенной из равновесия упругой системы постепенно затухают. Колебания, поддерживаемые только силами упругости, называются свободными или собственными.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются:

- амплитуда смещения "А_m" - величина наибольшего отклонения точки от положения равновесия;

- колебательная скорость "V_m" - максимальное из значений скорости колеблющейся точки;

- частота колебания "f_m" - число полных колебаний за единицу времени;

- период колебания "T"- промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы.

Частота колебания и период колебания связаны соотношением

f_m = 1/ Т.

В общем случае вибрация - физическая величина, характеризующаяся функцией времени, т.е. смещение X_m = f(τ). Текущее значение смещения - вибросмещения находится из выражения X = Asin(ωτ + φ), где w - собственная частота вибросистемы m – масса колеблющегося тела; с – коэффициент упругости вибросистемы; j - начальная фаза колебаний, причем, w = 2pf.

Максимальное (амплитудное) значение A_m = |Х|_max = |A|, которое будет наблюдаться при sin(ωτ + φ) = 1.

Мгновенную скорость находят, дифференцируя уравнение движения по времени:

а ускорение тела W находим повторным дифференцированием предыдущего выражения:

При оценке вибрации в вопросах охраны труда учитываются не мгновенные значения скорости и ускорения, а их максимальные (амплитудные) значения, которых находим при cos(wt + j) = 1 и sin(wt + j) = 1 соответственно, т.е.

V_m = 2p f A_m, W_m = (2pf)² A_m.

В силу специфических свойств органов чувств человека определяющими являются действующие значения параметров, характеризующих вибрацию, т.е. частота f, колебательная скорость V_m и амплитуда колебания Am. Организм человека воспринимает волновое влияние как воздействие не конкретных, а среднеквадратичных величин. Поэтому при измерении и нормировании вибрации используют обычно среднеквадратичные значения величин:

Таким образом вибрация характеризуется как абсолютными, так и относительными параметрами.

Абсолютные параметры вибрации – вибросмещение, виброскорость и виброускорение.

Для характеристики вибрации используют спектры действующих значений параметров или квадрат средних квадратичных значений последних .

Как и для физической картины колебаний, вибрация характеризуется для периодического или квазипериодического процесса дискретным спектром, а для случайного или кратковременного одиночного процесса - сплошным.

При оценке суммарного воздействия колебаний различных частот или отдельных источников вибрации на человека следует иметь в виду, что при сложении колебаний в результирующую величину (скорость, ускорение, смещение) находят суммированием мощностей отдельных составляющих или суммированием средних квадратов

или

В виброакустике параметры принято оценивать не в абсолютных, а в относительных логарифмических величинах - уровнях, измеряемых в белах (Б) или дицебелах (дБ).

Уровень параметра - логарифмическое отношение абсолютной величины параметра к некоторому его значению, выбранному в качестве величины отсчета

и

где V₀ = 5*10ˉ⁸ м/сек = 5*10ˉ⁵ мм/сек и W₀ = 3*10ˉ¹ мм/сек² - пороговые или опорные значения (нижний порог чувствительности человека) - скорости и ускорения, принятые в соответствии с международным соглашением.

ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И ЕЕ НОРМИРОВАНИЕ

По способу передачи на организм человека различают:

- общую вибрацию, когда воздействию вибрации подвергается весь организм (например, нахождение человеку на вибрирующих конструкциях, на опорной поверхности - пол, площадка, сидение и т.д.);

- местную вибрацию, когда в колебательное движение вовлекаются отдельные участки организма или части тела - при работе ручного инструмента ударного, ударно-вращательного и вращательного действия (отбойные молотки, гайковерты, бензопилы и др.).

В некоторых случаях работающие подвергаются воздействию комбинированных вибраций: например, при работе на транспортных машинах. Общая и местная вибрация по-разному действуют на человека, что обусловлено физиологическими особенностями его органов, их различной резонансной частотой.

Санитарные нормы учитывают механические колебания с частотой от долей герца до 8 000 Гц. Установлено, что механические колебания с частотой до 12 Гц воспринимаются телом как отдельные толчки, а с частотой свыше 8 000 Гц – как тепловые ощущения.

Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц практически вредно не действует на человека, при этом тело человека и отдельные внутренние органы движутся как единое целое (качка на море).

Человеческое тело можно рассматривать как сложную колебательную систему, состоящую из отдельных узлов (внутренние органы, различные части тела), обладающих рядом собственных частот. Например, для стоящего на вибрирующей поверхности человека имеются два резонансных пика на частотах 5-12 Гц и 17-25 Гц, для сидящего - на частоте 4-6 Гц, для головы - 20-30 Гц, резонанс внутренних органов грудной клетки и брюшной полости - на частотах 3-3,5 Гц и 7-11 Гц.

Колебания рабочих мест с указанными частотами очень опасны, так как могут вызвать механическое повреждение и даже разрыв органов. Колебания с частотой менее 12 Гц воспринимаются как отдельные толчки (сотрясения).

Систематическое воздействие общих вибраций в резонансной или околорезонансной зонах - причина вибрационной болезни:

- стойких нарушений физиологических функций органов человека;

- нарушений работы вестибулярного аппарата;

- центральной и вегетативной нервной системы, заболеванию органов пищеварения, а также сердечно-сосудистой системы.

Местные вибрации приводят к нарушению периферического кровообращения, нервной системы, мышечно-суставного аппарата. Длительное воздействие их приводит к вибрационной болезни с необратимыми изменениями - потеря чувствительности кожи, окостенение сухожилий мышц и т.д.

Профилактика воздействия вибрации на организм человека включает мероприятия технического, санитарно-гигиенического и лечебно-профилактического характера.

В РФ действуют "Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий" (CH 245-71), ограничивающие допустимую вибрацию рабочих мест, и "Санитарные нормы и правила при работе с инструментами, механизмами и оборудованием, создающими вибрации, передаваемые на руки работающего" (СН 625-66).

При действии на организм вибрации различной частоты и амплитуды характер реакции и ее выраженность различны. Высокочастотная вибрация легче гасится тканями организма, с увеличением амплитуда возрастает зона распространения вибрации по телу об точки ее приложения. Производственная вибрация нередко носит сложный характер. Кроме основной частоте, она может включать различное число гармонических составляющих, частоты которых находятся в кратных соотношениях с основной частотой. Вибрация может характеризоваться меняющееся во времени амплитудой с периодическим ее нарастанием и спадом.

Для характеристики и нормирования вибрации используют: частоту колебания, амплитуду смещения (ее максимальную величину) и уровень колебательной скорости (логарифмическую величину колебательной скорости в дБ). Рассматривается спектр колебаний. Нормированный (допустимый) спектр колебания - это уровень колебательной скорости на различных частотах колебания.

В практике виброакустики весь диапазон частот вибрации разбивается на октавные и треть октавные диапазоны.

Октава - это диапазон частот, где верхнее и нижнее значение находится в зависимости , а треть октавные –

Среднегеометрические частоты октавных полос частот вибрации стандартизированы и составляют: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц и т.д.

Вибрация, воздействующая на человека, нормируется отдельно в каждой стандартной октавной полосе, различно для общей и местной вибрации. Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника ее возникновения и делится на вибрацию; транспортную, транспортно-технологическую и технологическую.

Нормы по ограничению вибрации рабочих мест устанавливает величину уровня колебательной скорости в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот 1; 2; 4; 8; 16; 32; 63 Гц (ГОСТ 12.1.012-90 ²ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования безопасности². Нормируемыми параметрами вибрации являются средние квадратические значения виброскоростей, их логарифмические уровни или виброускорения в октавных полосах частот (для общей и локальной вибрации) и в третьоктавных полосах (для общей вибрации)) и в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; ... 63,0; 80,0 Гц, а для местной (локальной) вибрации для инструмента и поверхности контакта – 8; 16; 32; 63; 125; 500; 1000 Гц (ГОСТ 12.1.012-90). См. таблицы №1 и № 2.

Нормируется также амплитуда колебания. Рекомендуется безопасная амплитуда колебания 0,01- 0,015 мм. Нормируются вибрации в направлении трехортогональных осей координат X, Y, Z. (Z – вертикальная ось; X и Y - горизонтальные оси).

Регламентируется продолжительность воздействия локальной и общей вибрации в зависимости от степени превышения ее параметров над нормативами значениями. Так суммарное время работы в контакте с ручными машинами, вызывающими вибрацию, не должно превышать 2/3 рабочей смены, при этом одноразовое непрерывное воздействие вибрации, включая микропаузы, которое входит в данную операцию, не должно превышать 10 ¸ 15 мин. Суммарное время работы с виброинструментом не должно превышать для слесаря – сборщика 30% сменного времени, для электромонтажника – 22 %. При работе с виброинструментом масса оборудования, удерживаемая руками, не должна превышать 10 кг, а сила нажима не должна превышать 200 Н.

Средства индивидуальной защиты от вибрации подразделяются: - для рук оператора (изолирующие рукавицы, вкладыши, прокладки); для ног оператора - спец. обувь, наколенники; для тела оператора – специальные костюмы.

Общие требования к средствам индивидуальной защиты рук от вибрации регламентируются ГОСТ 12.4.002 – 91 ²ССБТ. Средства индивидуальной защиты рук от вибрации².

МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ВИБРАЦИЕЙ

Общими методами снижения вибрации являются;

- ослабление вибрации в источнике их образования за счет конструктивных, технологических и экспериментальных решений (технический метод);

- снижение интенсивности вибраций на пути их распространения (технологический метод);

Устранение причин возникновения вибрации в машинах и механизмах конструктивными и технологическими решениями является наиболее рациональной мерой (устранение дисбаланса, люфтов, зазоров, замена кривошипно-шатунных механизмов на кулачковые и т.д.). Ослабление вибрации в источнике их образования осуществляется при изготовлении оборудования.

Снижение интенсивности вибрации на пути распространения можно осуществить демпфированием, динамическим гашением и виброизоляцией.

Виброизоляция - способ защиты от вибрации, заключающийся в уменьшении передачи вибрации от источников возбуждения защищаемому объекту при помощи дополнительных устройств упругой связи - фундаментов и виброизоляторов, помещаемых между ними. Эта упругая связь может использоваться для ослабления передачи вибрации от основания на человека либо на защищаемый агрегат.

Виброизоляторы бывают пружинными, резиновыми и комбинированными. Пружинные виброизоляторы по сравнению с резиновыми виброизоляторами имеют рад преимуществ, так как могут применяться для изоляции как низких, так и высоких частот, а также дольше сохраняют упругие свойства. В случае пропускания виброизоляторами высших частот (из-за малых внутренних потерь сталей), их устанавливают на прокладки из резины (комбинированный виброизолятор). Цельные резиновые прокладки должны иметь форму ребристых или дырчатых плит для обеспечения деформации в горизонтальной плоскости.

Виброизоляция также осуществляется применением гибких вставок в коммуникациях воздуховодов, несущих конструкциях зданий, в ручном механизированном инструменте.

Основным показателем, определяющим виброизоляции машины, агрегата, установленной на виброизоляции с определенной жесткостью и массой, является коэффициент передачи или коэффициент виброизоляции. Он показывает, какая доля динамической силы [F_Ф] или ускорения [W_Ф] от общей силы [F_маш] или ускорения [W_маш] действующих со стороны машины, передается виброизоляторами фундаменту или основанию.

где f = ω/2π - частота возмущающей силы; в случае неуравновешенности ротора машины (электродвигателя, вентилятора и т.д.).

f =nm/60, где n - частота вращения, об/мин., m - номер гармоник (m = , 2, 3, …) могут бить и другие частоты возмущающих сил.

Частота собственных колебаний машины

где x_cтат = mg/c - статическая осадка виброизолятора (пружины, резины) под действием собственной массы М машины, см. Ее можно определить – x_cтат = g /(2πf₀)².

Чем больше статическая осадка, тем ниже собственная частота и тем эффективнее виброизоляция.

Изоляторы - амортизаторы начинают приносить эффект (КП<1)лишь при частоте возмущения f_эф > f =

При f ≤ виброизоляторы передают полностью вибрации фундаменту (КП=1)или даже усиливают их (КП>1). Эффект виброизоляции тем выше, чем больше отношение f/f0.

Следовательно, для лучшей виброизоляции фундамента от вибрации машин при известной частоте возмущающей силы f необходимо уменьшить частоту собственных колебаний машины на виброизоляторах f₀ для получения больших отношений f/f₀, что достигается либо увеличением массы машины [M], либо снижением жесткости виброизоляции "c". При известной же собственной частоте f₀ - эффект виброизоляции будет выше, чем больше возмущающая частота f по сравнению с частотой f₀.

Виброизоляция будет эффективней, если фундамент, на котором монтируется агрегат, обладает достаточной массивностью. Это требование выполняется в тех случаях, когда выполняется условие

(f_p²/f ²- 1)M/4m > 10,

где fp - ближайшая к частоте вынуждающей силы собственная частота колебаний фундамента; М - масса фундамента (кг); m - масса изолирующего агрегата (кг).

Значение КП для эффективной изоляции колеблется в пределах 1/8 ¸ 1/6 при отношении вынужденной частоты к собственной частоте системы, равном 3 - 4.

Для изоляции человека от вибрирующего оборудования используют виброгашение. Под виброгашением понимают уменьшение уровня вибрации защищаемого объекта при введении в систему дополнительных реактивных сопротивлений. Чаще - это достигается при установке агрегатов на виброгасящие основания. Массу фундамента подбирают таким образом, чтобы амплитуда колебаний подошвы фундамента в любом случае не превышала 0,1-0,2 мм, а для особо ответственных сооружений - 0,005 мм.

Ослабление передачи вибрации на фундамент обычно характеризуется величиной виброизоляции (ВИ).

ВИ = ∆Z = Z₀₁-Z₀₂ =

Но чаще в качестве критерия параметра вибрации используется амплитуда колебания. Она используется для ограничения вибрации агрегатов и фундаментов - определяет действующие динамические силы.

ВИ = ∆Z =

где знак "1" - относится к параметрам вибрации до мероприятий, а "2" - после мероприятий, после виброзащиты.

ВИ = ∆Z =

Если известен уровень колебательной скорости агрегата и нормированное значение уровня виброскорости Z_норм, то можно определить потребную величину снижения логарифмического уровня виброскорости ∆Z = Z - Z_нор.

Далее определяется потребное значение КП

Вибродемпфирование - вибропоглощение - процесс уменьшения уровня вибрации защищаемого объекта путем превращения энергии механических колебаний колеблющейся системы в тепловую энергию в процессе рассеяния энергии в окружающее пространство, а также в материале упругих элементов. Эти потери вызываются силами трения – диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необходимо расходуется энергия источника вибрации.

Если рассеяние энергии происходит в вязкой среди, то диссипативная сила прямо пропорциональна виброскорости и носит название демпфирующей.

Вибродемпфирование заключается в уменьшении уровня вибрации защищаемого объекта за счет превращения энергии механических колебаний колеблющейся системы в тепловую.

связь между виброскоростью и вынуждающей силой, где F_m - вынуждающая сила;

μ - коэффициент сопротивления, активная составляющая сопротивления вибрации;

(mω - с/ω)- реактивная часть сопротивления;

mω - инерционное сопротивление (масса на угловую частоту);

с/ω - упругое сопротивление (коэффициент жесткости на угловую частоту);

- механический импеданс системы.

Вибродемпфирование определяется коэффициентом сопротивления системы "μ", с изменением которого изменяется механический импеданс системы. Чем выше m, тем большего эффекта вибродемпферования можно достичь.

Для вибродемпфирования используются материалы с большим внутренним трением (пластмассы, дерево, резина и др.). На вибрирующие поверхности накосятся упруговязкие материалы - мастики.

Для борьбы с акустической вибрацией систем вентиляции и кондиционирования воздуха воздуховоды присоединяются к вентиляторам через гибкие вставки, при переходе через строительные конструкции на воздуховоды надеваются амортизирующие муфты и прокладки.

Вибродемпфирование осуществляется:

- путем изготовления колеблющихся объектов из материалов с высоким коэффициентом потерь, т.е. из композиционных материалов: двухслойных - "сталь-алюминий", из сплавов Cu – Ni, Ni – Co, а также на металле пластмассовые покрытия и т.д. Вибродемпфирующие материалы характеризуются коэффициентом потерь "η": сплавы "Cu - Ni" - 0,02-0,1; слоистых материалов - 0,15-0,40; резин, мягких пластмасс – 0,05 - 0,5; мастик - 0,3 - 0,45.

- нанесением на колеблющиеся объекты материалов с высоким коэффициентом потерь.

Действие таких покрытий основаны на ослаблении вибрации переводом колебательной энергии в тепловую при деформации покрытий.

Вибропоглащающие покрытия делятся на жесткие и мягкие покрытия.

Жесткие – рубероид, пластмасса, битомизированный войлок, стеклоизоляция.

Мягкие – мягкие пластмассы, резина, пенопластмассы.

Мастики – Антивибрит, ВД 17 – 58.

Динамическое гашение - виброгашение - ослабление колебаний посредством присоединения к системе дополнительных реактивных импедансов - дополнительная колебательная система, собственная частота, которой настроена, на основную частоту агрегата. В этом случае подбором массы и жесткости виброгасителя снижают вибрацию.

В направлении распространения вибрацию снижают, используя дополнительные устройства, встраиваемые в конструкцию машины, применяя демпфирующие покрытия, а также используя антифазную синхронизацию двух или нескольких источников возбуждения.

Средства динамического виброгашения по принципу действия подразделяются на динамические (пружинные, маятниковые, действующие в противофазе к колебательной системе) и ударные (пружинные, маятниковые - как глушители шума).

Динамическое виброгашение осуществляется также при установке агрегата на массивном фундаменте.

Виброгаситель жестко крепится на вибрирующем агрегате, поэтому в каждый момент времени возбуждаются колебания, находящиеся в противофазе к колебаниям агрегата.

Без учета трения должно выполняться условие:

где f - частота собственных колебаний машины (агрегата); f₀ - возбуждающаяся частота.

Недостатком динамического гашения является то, что гасители действует только по определенной частоте, соответствующей его резонансному режиму колебания: маятниковые или ударные виброгасители для гашения колебаний с частотой 0,4 - 2,0 Гц; пружинные - 2,0 - 10,0 Гц; плавающие – выше 10 Гц.