Влияние вибрации. Вибрация. Воздействие, нормирование, защита
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Опубликовано в приложении к журналу Безопасность Жизнедеятельности май №5 2004, Изд. Новые Технологии. УДК 621-752 ВИБРАЦИЯ. ВОЗДЕЙСТВИЕ, НОРМИРОВАНИЕ, ЗАЩИТА А.И.Комкин, канд. техн. наук, доц., МГТУ им. Н.Э. Баумана Аннотация Рассмотрены физические характеристики вибрации, особенности ее воздействия на человека и принципы нормирования вибрации. Основное внимание уделено методам виб- розащиты, в том числе снижению виброактивности источника, вибродемпфированию, виброизоляции, динамическому и активному виброгашению, индивидуальным средствам виброзащиты. Проанализированы основные подходы к защите от вибрации, создаваемой движущимся транспортом и передаваемой по грунту близлежащим зданиям. Освещены вопросы измерения и контроля вибрации. Оглавление Введение 1. Физические характеристики вибрации. 2. Воздействие вибрации на человека 3. Нормирование вибрации 4. Основные методы виброзащиты 5. Снижение виброактивности источника вибрации 6. Вибродемпфирование 7. Виброизоляция 8. Динамическое виброгашение 9. Активное виброгашение 10. Индивидуальные средства защиты 11. Вибрация зданий от движущегося транспорта 12. Измерение и контроль вибрации Заключение Литература Введение Человек в современном индустриальном обществе постоянно соприкаса- ется с вибрационными явлениями: на производстве, в транспорте, в быту. Ис- точниками вибрации являются разнообразные машины, технологическое оборудование и транспортные средства. Рост числа машин, повышение их мощности, увеличение интенсивности и скорости транспортных потоков приводит к тому, что воздействие вибрации на человека возрастает. Отсюда вытекает необходимость ограничения этого воздействия путем ужесточения нормативных актов и совершенствования средств защиты от вибрации. 1. Физические характеристики вибрации Большинство наблюдаемых в природе и технике процессов являются ко- лебательными. В технике, особенно в машиностроении, широко применяют также термин вибрация, под которым понимают механические колебания от- носительно малой амплитуды и не слишком низкой частоты. Простейшим видом колебательных процессов являются гармонические колебания. При этом колеблющаяся величина w, представляющая собой па- раметр колебаний, изменяется во времени t по гармоническому закону w(t) = A w cos(ωt + φ), (1) где А, φ ⎯ амплитуда и фаза колебаний; ω ⎯ круговая частота; ω=2πf ; f =1/T ⎯ циклическая частота; T ⎯ период колебаний. Не следует путать частоты f и ω. Циклическую частоту f измеряют в герцах, Гц, угловую частоту ω ⎯ рад/с. В качестве параметров, оценивающих вибрацию, может служить вибро- перемещение u (м), или ее производные: виброскорость v (м/с) и виброуско- рение a (м/с 2 ). Если виброскорость изменяется по гармоническому закону (1) с амплитудой А v =A , то этому закону будут подчиниться и два других пара- метра. При этом амплитуды виброускорения А a и виброперемещения А u свя- заныс амплитудой А v соотношениями А a =ωА v ; А u = А v /ω. (2) Таким образом, амплитуды перемещений и скоростей на высоких час- тотах значительно меньше амплитуды ускорений (рис. 1). Отсюда следует, что если нас интересует вибрация в широком частотном диапазоне, то в ка- честве такового следует использовать виброускорение, а если нам важна только низкочастотная вибрация, то предпочтительнее виброперемещения. На практикеобычноимеют дело с полигармоническими колебаниями, представляющими собой сумму n-го количества гармоник: 1 1 ( ) cos( ) n k k w t A k t k ω ϕ = = ∑ − , (3) где А k , φ k − амплитуда и начальная фаза k -й гармоники. Спектр полигармонического колебания, как совокупность амплитуд со- ставляющих его гармоник, является дискретным (линейчатым). Колебаниям, имеющим случайный характер, соответствует непрерывный спектр. Примеры некоторых колебательных процессов даны на рис. 2. Рис. 1. Соотношения между амплитудами параметров гармониче- ской вибрации На практике обычно имеют дело со смешанной вибрацией, содержащей как периодические, так и случайные компоненты. В реальных машинах и ме- ханизмах всегда имеет место отклонения от строгой периодичности в про- цессе их работы. Это приводит к появлению флуктуаций по амплитуде и по частоте колебаний. Они особенно существенны на высоких частотах, когда временные отклонения от строгой периодичности становятся соизмеримыми с периодом вибрации. Поэтому спектр такой вибрации, являющийся дис- кретным на низких частотах, с ростом частоты постепенно трансформируется в непрерывный, соответствующий случайной вибрации (рис. 3). При анализе вибрацииобычно рассматривают не амплитудные, а сред- ние квадратические значения, определяемые осреднением по времени ко- леблющейся величины w(t) на отрезке T: 2 0 1 ( ) T w w t T = ∫ % dt . Для гармонического колебания с амплитудой А w , определяемого (1), имеем 2 w w A = % . Для полигармонических колебаний, в соответствии (3), получим 2 1 1 2 n k k w A = = ∑ % . Так как значения параметров вибрации могут изменяться в широких пределах, то на практике часто используются логарифмические уровни виб- рации. Логарифмическая единица называется белом (Б), а ее десятая часть децибелом (дБ). При этом логарифмический уровень вибрации (в дБ), опре- деляется выражением ( ) 2 2 0 10lg 20lg( ) w 0 L w w w w = = % % , (4) где w% — среднее квадратическое значение рассматриваемого параметра виб- рации; w 0 — пороговое значение соответствующего параметра. Для виброскорости пороговое значение v 0 = 5·10 -8 м/с. Пороговые значе- ния для виброускорения a 0 и виброперемещения u 0 , вычисляемые исходя из данного значения v 0 и стандартной частоты f 0 = 1000 Гц с помощью соотно- шений (2), равны: a 0 = 3·10 -4 м/с 2 и u 0 = 8·10 -12 м. Отсюда получим, что для гармонической вибрации с частотой f лога- рифмические уровни виброускорения L a и виброперемещения L u связаны с логарифмическим уровнем виброскорости L v соотношениями 60 20lg a v f L L + − = ; 60 20lg u v f L L − + = . При анализе вибрации с широким спектром целесообразно разбить ось частот на отрезки (полосы частот) и вычислять уровни вибраций для каждой такой полосы. С этой целью используются специальные фильтры, полоса пропускания которых определяется граничными частотами f н и f в . Как пра- вило, это октавные фильтры, для которых отношение f в / f н =2, или третьоктав- ные фильтры, с полосой в три раза более узкой (рис. 3). Рис. 3. Характеристики октавных и третьоктавных фильтров В качестве частоты, характеризующей полосу частот в целом, берется среднегеометрическая частота в н сг f f f = Средние геометрические частоты октавных и третьоктавных полос стандартизованы и определяются соответ- ственно по формулам 10 / 3 сго 10 n f = , , n = 0,1, 2, 3, … 10 / сгт 10 n f = Для октавных полос после вычисления по первой из этих формул и после- дующего округления результата получаем следующие значения средних гео- метрических частот 1, 2, 4, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Верхние и нижние частоты октавных полос определяются следующими соотношения- ми: 2 сг н f f = и сг в 2 f f = 2. Воздействие вибрации на человека Вибрация относится к вредным факторам, обладающим высокой биоло- гической активностью. Воздействие вибрации на человека может приводить с одной стороны к снижению производительности труда и качества работы, а с другой стороны к возникновению заболеваний (среди профессиональных заболеваний вибрационная патология стоит на втором месте после пылевой). По способу передачи на человека различают: общую вибрацию, пере- дающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего чело- века; локальную вибрацию, передающуюся через руки человека или отдель- ные участки тела, контактирующие с вибрирующим инструментом, а также через ноги сидящего человека. По направлению действия общую вибрацию подразделяют на: верти- кальную, направленную перпендикулярно опорной поверхности; горизон- тальную, действующую в плоскости параллельной опорной поверхности. Спектр вибрации, воздействующей на человека, делится на три частот- ных диапазона: низкочастотный, среднечастотный и высокочастотный. Для общей вибрации эти частотные диапазоны охватывают соответственно следующие октавные полосы частот: 1―4 Гц; 8―16 Гц; 31,5―63 Гц. Для ло- кальной вибрации имеем следующее соответствие: 8―16 Гц; 31,5―63 Гц; 125―1000 Гц. Вибрация оказывает на организм человека разноплановое действие в за- висимости от спектра, направления, места приложения и продолжительности воздействия вибрации, а также от индивидуальных особенностей человека. Например, вибрация с частотами ниже 1 Гц вызывает укачивание (морскую болезнь), а слабая гармоническая вибрация с частотой 1-2 Гц вызывает сон- ливое состояние. Частоты вибрации и соответствующие вредные действия на человека представлены в табл.1. Таблица 1 Симптомы и частотные диапазоны вредного воздействия вибрации на человека Частота, Гц Симптомы действия вибрации 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Укачивание Резонансные колебания тела Затруднение дыхания Влияние на зрение Влияние на сердечно-сосудистую систему Ухудшение координации рук и опоры на ступни Ухудшение качества работы человека-оператора Нагревание тканей, разрушение клеток На рис. 4 приведена модель тела человека, состоящая из масс, пружин и демпферов. В такой модели отдельные части тела характеризуется собствен- ными частотами колебаний. При совпадении частоты возбуждения системы с ее собственной частотой возникает явление резонанса, при котором амплиту- да колебаний резко возрастает. Так резонанс органов брюшной полости на- блюдается при частотах 4—8 Гц, голова оказывается в резонансе на частоте 25 Гц, а глазные яблоки ― на частоте 50 Гц. В последнем случае, при резо- нансе глаз, субъективные ощущения таковы, как будто глаза покрыты пеле- ной. Входящие в резонанс органы нередко вызывают болезненные ощуще- ния, связанные, в частности, с растягиванием соединительных образований, поддерживающих вибрирующий орган. Воздействие вибрации на человека столь широко и имеет такие негатив- ные последствия, что это послужило основанием для выделения около ста лет назад вибрационной болезни в качестве самостоятельного заболевания. Сим- птомы вибрационной болезни многообразны и проявляются в нарушении ра- боты сердечно-сосудистой и нервной систем, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций опорно-двигательного аппарата. Рис. 4. Модель тела человека и резонансы отдельных его частей Колебания сидящего человека на частотах 8—10 Гц определяются в ос- новном диссипативными силами, так что большая часть вибрации поглоща- ется телом человека. Это обстоятельство является причиной широкого рас- пространения заболеваний позвоночника. Так у водителей-профессионалов автомобилей, трактористов, пилотов самолетов грыжи межпозвоночных дис- ков встречаются в несколько раз чаще, чем у лиц сидячих профессий, не под- вергающихся вибрации. При работе с ручными машинами на тело человека через руки передает- ся локальная вибрация. Локальная вибрация может вызывать в организме че- ловека эффекты общего характера типа головной боли, тошноты и т.д., но главное она воздействует на процесс кровообращения в пальцах рук и на нервные окончания. Это в свою очередь вызывает побеление пальцев, потерю их чувствительности, онемение, ощущение покалывания. Эти явления усили- ваются на холоде, но на первых порах относительно быстро проходят. При длительном воздействии вибрации патология может стать необратимой и приводит к необходимости смены профессии. В особо запущенных случаях может иметь место даже гангрена. Сроки появления симптомов вибрацион- ной болезни зависят от уровня и времени воздействия вибрации в течение ра- бочего дня. Так у формовщиков, бурильщиков, рихтовщиков заболевание на- чинает развиваться через 8—12 лет работы. Воздействие ручных машин на человека зависит от многих факторов: типа машины (ударные машины более опасны, чем машины вращательного типа), твердости обрабатываемого материала, направления вибрации, силы обхвата инструмента. Вредное воздействие вибрации усугубляется при мы- шечной нагрузке, неблагоприятных условия микроклимата (пониженная тем- пература и повышенная влажность), психо-эмоциональнай напряженности. C проблемой вибрации мы сталкиваемся и в быту, когда, например, жи- лой дом располагается у железной дороги, автострады или в его подвальных помещениях размещается какое-либо технологическое оборудование. При этом основное негативное воздействие на человека оказывает не сама по себе вибрация, а связанный с ней структурный шум. Он образующийся в резуль- тате распространения вибрации по конструкции здания и может являться для человека сильным раздражающим фактором, особенно в ночное время. 3. Нормирование вибрации Нормирование вибрации очень важно для улучшений условий труда и профилактики вибрационной болезни. В стандартах отдельно регламентиру- ются требования к общей и локальной вибрации, а также устанавливаются нормы для вертикальной и горизонтальных составляющих общей вибрации. Но имеются некоторые различия в подходах к нормированию вибрации. В международных стандартных (ИСО 2631—1985 и ИСО 5349—1986) в качестве нормируемого параметра вибрации используется средние квадрати- ческие значения виброускорения в 1/3-октавных полосах частот, которые на практике по сравнению с другими параметрами наиболее легко измерить. Кроме того, вводятся в рассмотрение логарифмические уровни виброускоре- ния вычисляемые согласно (4) с пороговым значением виброускорения рав- ным 10 -6 м/с 2 , в отличие от традиционно используемого у нас в стране значе- ния 3·10 -4 м/с 2 . Разница в получаемых при этом значениях уровней виброу- скорения составляет 50 дБ. Рис. 5. Допустимые значения вертикальной и горизонтальной вибрации в третьоктавных полосах частот в a% г a% Стандарт ИСО 2631—1985 нормирует вибрацию по трем критериям: безопасность (предел безопасного воздействия); производительность труда (граница снижения производительности труда); комфорт (граница ощущения комфорта). Нормы вибрации по этим трем критериям связаны между собой следую- щим образом. Значения виброускорений по второму критерию (производи- тельность труда) превышают в 3,15 раза (на 10 дБ) значения, соответствую- щие третьему критерию (комфорт), и в 2 раза (на 6 дБ) меньше значений, со- ответствующих первому критерию (безопасность). Допустимые значения виброускорений по критерию производительность труда при длительности воздействия 480 мин (8 ч) для вертикальной и горизонтальной вибрации приведены на рис. 5. Из представленных данных следует, что для вертикаль- ной вибрации наиболее жесткие нормы установлены в частотном диапазоне 4―8 Гц, где располагаются собственные частоты органов брюшной полости. Для горизонтальных вибраций наибольшие ограничения устанавливаются в в a% г a% низкочастотном диапазоне 1―2 Гц. Помимо раздельно-частотного нормирования вибрации в 1/3-октавных (октавных) полосах частот при нормировании используются также и инте- гральная оценка вибрации, определяемая по формуле: 2 2 1 i i n i W k = = ∑ %w , где k i , i w% ― соответственно весовой коэффициент и среднее квадратическое значение нормируемого параметра в i-той полосе частот. Графики зависимости весовых коэффициентов от частоты представлены на рис. 6. Они являются зеркальным отражением нормативных кривых на до- пустимые уровни виброускорений, представленных на рис. 5. В российских стандартах (ГОСТ 12.1.012―90 и СН 2.2.4/2.1.8.566―96) нормируются как значения виброускорения так и виброскорости. При этом нормы для этих двух параметров связаны между собой соотношением (2). Общая вибрация в этих стандартах подразделяется на три категории: категория 1 ― транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах транспортных средств при их движении по местности (авто- мобили, тракторы и комбайны, строительные машины, снегоочистители, гор- но-шахтный транспорт и др.); Рис. 6. Значения весовых коэффициентов k в , k г соответственно для вертикальной и горизонтальной вибрации в третьоктавных полосах частот категория 2 ― транспортно-технологическая вибрация, воздействую- щая на человека на рабочих местах машин с ограниченной зоной перемеще- ния по специально подготовленным поверхностям производственных поме- щений, промышленных площадок, горных выработок (экскаваторы, краны, горные комбайны, путевые машины, бетоноукладчики и др.); категория 3 ― технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах стационарных машин (станки, кузнечно-прессовое обору- дование, электрические машины, насосы и вентиляторы и др.) или передаю- щаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации. Нормы по категории 1 (транспортная вибрация) совпадают с нормами ИСО, соответствующими критерию производительность труда. При этом также отдельно нормируется вибрация в вертикальном и горизонтальных на- правлениях. Для остальных категорий нормы устанавливаются общими для всех направлений действия вибрации. Нормы вибрации для категории 2 и 3 определяются умножение норм для категории 1 соответственно на 0,5 и 0,18 (уменьшением соответственно на 6 и 15 дБ). При интегральной оценке допустимые значения виброускорения для вибрации категории 1 при длительности воздействия 480 мин в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно равны 0,56 м/с 2 и 0,4 м/с 2 Нормативные значения виброускорений для локальной вибрации в ок- тавных полосах частот представлены в табл.2. Таблица 2 |