5. Теоретичні основи

Характеристика коливань і вплив їх на людину.

В умовах сучасного сільськогосподарського виробництва джерелом вібрації є, насамперед, мобільні сільськогосподарські агрегати, стаціонарне обладнання ферм і ремонтних майстерень, а також різні інструменти.

Дія коливань відчувається кожною людиною по-різному. Об'єктивна оцінка їх впливу дається за середньостатистичними даними обробки, що отримується в результаті досліджень інформації. Частота коливань різна, тому їх передача по людському тілу відбувається неоднаково. Частоти нижче 5 Гц передаються по людському організму по всьому об'єму, частоти вище 20 Гц не досягають серця, а для частот більше 50 Гц коліно є верхньою межею проникнення. Частоти понад 80 Гц практично не передаються вище за стопу. Ця картина мало змінюється для сидячої людини: високі частоти поглинаються сидінням замість ніг.

У прикладній динаміці коливання іноді умовно підрозділяють на власне коливання (низькочастотні — до 20 Гц) і вібрації (високочастотні — понад 20 Гц). Таке ділення значуще і для робочого місця тракториста, тому що в тракторах діапазон частот достатньо широкий. Низькочастотні коливання виникають головним чином від нерівностей профілю шляху, а джерелом вібрацій є неврівноважені сили інерції двигуна і перекидаючий реактивний момент газових сил. Низькочастотні коливання носять випадковий характер, а вібрації є чисто гармонійними коливаннями.

Джерела походження коливань і їх характер припускають різноманіття підходів до їх вивчення і різні способи зниження впливу на організм людини. У зв'язку з цим слідує підкреслити, що плавність ходу трактора — це тільки частина проблеми шкідливої дії коливань на тракториста. Ергономічний аспект коливань в тракторі набагато ширше і проблема плавності ходу за своїм змістом є лише частиною динаміки трактора.

Ступінь впливу коливань на людину залежить від їх частоти, швидкості і прискорення. Чим вище частота коливань, тим менше повинно бути прискорення. Так, при частоті 1 Гц неприємні відчуття у людини з'являються при прискоренні 2,3 м/с², а при частоті 2 Гц поріг неприємного сприйняття коливань знижується до прискорення 1,9 м/с². Найбільш несприятливі швидкості коливань знаходяться в межах 0,03...0,1 м/с².

Комплексний вплив на людину різних параметрів коливань і регламентацію норм шкідливої дії вібрацій враховують при розробці вимог до машини. Основними оцінними показниками шкідливої дії коливань є рівні вібронавантаженості тракториста. Вібронавантаженість оцінюють по середніх квадратичних прискореннях, тому що саме прискорення викликають дію сил інерції окремих органів людини (серця, легенів, шлунку і т. д.), кожний з яких володіє своєю власною частотою коливань.

Найбільш чутливі до дії вібрацій нервова і серцево-судинна системи, а також кістково-суглобний апарат. Ступінь дії вібрації на організм людини залежить від її частоти. Найпростіша форма вібрації – гармонійна або синусоїдна, при якій значення коливної величини змінюється в часі за законом, що характеризує синусоїду, наприклад, коливання маятника. Гармонійна вібрація належить до періодичних коливань, при яких кожне значення коливної величини повторюється через рівні інтервали часу.

Крім гармонійних, які у виробничих умовах і на транспорті спостерігаються рідко, розрізняють полігармонічні і випадкові стаціонарні коливання. Частіше виникають складні (аперіодичні) коливання, які за допомогою гармонійного аналізу можуть бути показані у вигляді суми гармонійних коливань.

Тривала дія вібрацій може привести до важко виліковної вібраційної хвороби — стійкого порушення фізіологічних функцій організму. Особливо небезпечні загальні вібрації з частотою 3—30 Гц. У цьому діапазоні частот лежать власні частоти більшості внутрішніх органів, голови і кінцівок людини. При збігу їх з частотою збуджуючої сили коливання відбуваються в резонансному режимі. Такі частоти називають резонансними.

Вібрація – це рух точки або механічної системи, при якому відбувається почергове збільшення і спадання коливань у часі значень хоча б однієї координати.

Причина вібрації полягає у незрівноваженності силового впливу, яке виникає під час роботи машин та агрегатів.

Основними характеристиками вібрації є:

• зміщення Y= Q(t);

• швидкість V=φ(t);

• прискорення W=j(t).

Абсолютні значення швидкості і прискорення коливань, які характеризують вібрації, практично змінюються в дуже широких межах, тому використовуються поняття віброшвидкості і віброприскорення, дБ.

Амплітуда зміщення використовується як критерій для обмеження вібрацій агрегатів і фундаментів, амплітуда коливань швидкості поверхні характеризує рівень шуму, який виникає; амплітуда прискорення визначає діючі динамічні сили.

У виробничих умовах вібрації, що виникають при роботі машин, являють собою складний коливальний рух, який містить декілька простих коливань різної інтенсивності та частоти.

При дослідженні вібрацій необхідно знати їх частотний склад, тобто спектри вібрації.

Розрізняють загальні і локальні вібрації. Загальні вібрації викликають коливання всього організму, а локальні - лише окремих його частин (наприклад, рук при роботі з ручним механізованим інструментом).

Спектральний аналіз вібрації звичайно проводять у октавних (f/f₀=2) або триоктавних смугах частот.

Сильні вібрації також заважають нормальній роботі машин і механізмів: знижують точність верстатів і агрегатів, скорочують термін їх служби, погіршують якість обробки, іноді викликають руйнування машин і будівельних конструкцій. Таким чином, боротьба з вібраціями на виробництві є важливою технічною і санітарно-гігієнічною проблемою. Показники рівня вібронавантаженості водія автомобіля і тракториста однакові і повинні відповідати нормам, що регламентуються ГОСТ 12.2.019—86. Стандарт встановлює частоту власних коливань сидіння, методику розрахунку і методи випробувань.

Допустимі рівні вібрації встановлені «Санитарными нормами рабочих мест» № 3044-84, «Санитарными нормами и правилами при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих» № 3041-84, а також ГОСТ 12.1.012 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования» и ГОСТ 12.2.019-86 «ССБТ. Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности». Вказаними документами нормуються наступні параметри вібрації:

- середні квадратичні значення віброшвидкості або їх логарифмічні рівні в 1/3-октавних або октавних смугах частот (для локальної вібрації – тільки в октавних смугах частот);

- середні квадратичні значення віброприскорення або їх логарифмічні рівні в 1/3-октавних або октавних смугах частот (для локальної вібрації – тільки в октавних смугах частот, рівні тільки по СН).

Напрямок дії вібрації визначається вздовж осей ортогональної системи координат, зв’язаної з положенням в просторі тіла людини або рук людини-оператора.

Для загальної вібрації – Z – вертикальна вісь; X і Y – горизонтальні вісі.

Для локальної вібрації – X – вісь, паралельна вздовж осі рукоятки; Z – вісь, близька до напрямку прикладення сили або вісі передпліччя.

Загальну вібрацію за джерелом виникнення поділяють на три категорії:

1 – транспортна вібрація (дія якої поширюється на операторів мобільних машин, тракторів, комбайнів і т.п.);

2 – транспортно-технологічна вібрація (вібрація, дія якої поширюється на операторів машин з обмеженим переміщенням по спеціальним майданчикам);

3 – технологічна вібрація (вібрація, дія якої поширюється на операторів стаціонарних машин або передається на робочі місця, які не мають джерел вібрації).

Допустимі рівні загальної вібрації наведені у додатку 1.

Вимірювання вібрацій повинно проводитися згідно нормативних документів: ГОСТ 12.1.084 «Вибрация. Общие требования к проведению измерений»; ГОСТ 12.1.042 «ССБТ. Вибрация. Методы измерения на рабочих местах»; ГОСТ 12.1.043 «ССБТ. Вибрация. Методы измерения на рабочих местах в производственных помещениях».

Середньогеометричні частоти октавних смуг вібрації стандартизовані і становлять: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.

Для вимірювання вібрацій існує ряд методів. В основному вони можуть бути об'єднані в дві групи: а) механічні (безпосередні) методи вимірювання амплітуд; б) електричні.

Методи боротьби з вібрацією. ГОСТ 12.4.046 встановлена класифікація методів махисту від вібрації, які поділяються на технічні, організаційні та лікувально-профілактичні.

Технічними заходами передбачається усунення (зменшення) вібрації в джерелі її розвитку, як на стадії проектування, так і при використанні технології і машини шляхом використання пластмас, безшумних передач, підвищення якості зборки, балансування частин, що обертаються, заміни технологій виготовлення деталей (клепки – зварюванням, штамповки – ливарним способом)

Зменшення вібрацій на шляху розповсюдження досягається вібродемпферуванням, динамічним гасінням вібрацій і віброізоляцією.

Усунення причин виникнення вібрацій в машинах і механізмах конструктивними і технологічними методами є найбільш радикальною мірою. Прикладом боротьби з вібрацією в джерелі її виникнення є усунення дисбалансу мас, що обертаються, люфтів, зазорів в машинах, заміна кривошипно-шатунних механізмів кулачковими, шарикопідшипників — підшипниками ковзання.

При демпфуванні зменшення амплітуди коливань деталей машин досягається їх виготовленням з матеріалів з великим внутрішнім тертям або застосуванням покриття на вібруючих поверхнях з матеріалів з великим внутрішнім тертям або в'язкістю.

Гасіння коливань передбачає збільшення інерційного і пружного опору коливальних систем або введення в механізми спеціальних пристроїв — динамічних гасителів.

У випадках, коли усунути або понизити вібрацію в машині не вдається, використовується метод віброізоляції — зменшення рівня вібрації об'єкту, що захищається, шляхом зменшення передачі коливань цьому об'єкту від джерела коливань.

Основним показником, який визначає віброізоляцію якого-небудь устаткування, є коефіцієнт передачі, що показує, яка частина динамічної сили F_ф або прискорення а_ф від загальної сили F або прискорення а, діючих з боку машин, передається віброізолятором на основу.

Коефіцієнт передачі визначається за формулою (1):

(1),

де F_ф, а_ф – відповідно сила, Н та прискорення, м/с², фактично діючі на основу;

F, а - відповідно сила, Н та прискорення, м/с², які діють від машини.

Можна визначити коефіцієнт передачі з формули 2:

(2),

де f – частота сили, що визиває коливання, Гц;

f₀ - частота власних коливань, Гц.

Чим менше значення коефіцієнта передачі, тим вище віброізоляція. З останньої формули видно, що чим нижча власна частота коливань на порівняння з силою, яка їх викликає, тим вище коефіцієнт віброізоляції.

При f = f₀ виникає явище резонансу, яке супроводжується різким підвищенням рівня вібрації.

Віброізолятори починають приносити ефект тільки при частковому коливанні f_еф > f = f_{0 ,} при f ≤ f_{0 ,}віброізолятори повністю передають вібрації або навіть посилюють їх.

Ефективність ізоляції на даній частоті визначають за формулою 6.3:

(3).

Організаційні заходи заключаються в правильній організації роботи в умовах дії вібрації, в використанні ЗІЗ від вібрацій (віброзахисні перчатки, спецвзуття, килимки).

Лікувально-профілактичні заходи передбачають використання виробничої гімнастики, масажу, вживання вітамінів та ін.

Нормування вібрацій. Існують два види норм: санітарно-гігієнічні і технічні. Прикладом санітарно-гігієнічних норм є норми з обмежування вібрацій ручного пневматичного та електроінструмента, а також норм по обмеженню вібрацій робочих місць на виробництві. Прикладом технічних норм є норми з обмеження вібрацій електричних машин, турбін та ін.

Для виконання роботи необхідно:

1. Вивчити конструкцію приладів і підготувати їх до роботи (додаток 2).

2. Провести необхідні вимірювання.

3. Одержані дані порівняти з вимогами нормативних документів.

4. Зробити висновок про їх відповідність нормативним значенням.

Визначення рівня вібрації на робочому місці

Рівень вібрації на робочому місці вимірюється пристроєм ВШВ-1(ВШВ-2), будову якого представлено на рис. 1.

Вимірювач ІШВ-1 - це універсальний комбінований переносний прилад, призначений для вимірювання рівня віброприскорення, віброшвидкості і аналізу їх спектру в октавних смугах частот.

Середньогеометричні частоти октавних смуг вібрації стандартизовані і становлять: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц.

Прилад забезпечує вимірювання загальних і октавних рівнів віброшвидкості від 70 до 160 дБ щодо порогового значення 5∙10^-8 мм/с в діапазоні частот 10—2800 Гц.

Він дозволяє вимірювати:

а) віброприскорення від -30 до 140 дБ щодо порогового значення З∙10^-4 м /с² в діапазоні частот 10. ..12 500 Гц;

б) віброшвидкість від 70 до 160 дБ щодо порогового значення 5∙10^-8 м/с в діапазоні частот 10...2800 Гц.

До ВШВ підключають реєструючу апаратуру з вхідним опором не менше 10 кОм. Напруга виходу 2 В. Пхибка вимірювань 0,7... 1,0 дБ. Прилад живиться від мережі змінного струму 220 В або від батареї «Елемент-373». Працює прилад при температурі (0 ± 40) ° С і відносній вологості до 90%.

На лицьовій панелі управління приладу є: 1- вхід для підключення мікрофону при вимірюванні шуму або віброприймача (датчика) при вимірюванні вібрацій; 13 і 11 — перемикачі меж вимірювання «дБ-I» і «дБ-ІІ». Перший з них проградуйований від 30 до 90 дБ для послаблення сигналу на 60 дБ ступенями по 10 дБ, другий, — від 0 до 40 дБ послаблення сигналу до 40 дБ ступенями по 10 дБ; 12 — перемикач роду вимірювань, положення якого (А, Б і С) визначають шкалу, призначену для вимірювання шуму, «лин.» — для вимірювання вібрації, «фільтр» — для визначення рівнів звуку або вібрації в октавних смугах; 10 — перемикач роду роботи, який може бути встановлений в положення «контр, пит.» — при перевірці живлення приладу, «бистро» — при вимірюванні стабільного шуму, «поволі» — при вимірюванні переривистого і імпульсного шуму; 2 — перемикач октавних смуг фільтру із середніми геометричними частотами 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 і 16 000 Гц; 4 — тумблер перемикання роботи на мікрофон або віброприймач; 3 — гніздо із шліцами для калібрування приладу — верхнє для вимірювання шуму, нижнє для вимірювання вібрації; 5 — індикатор живлення, що є лампою, яка мигає при контрольній перевірці приладу; 6 — гніздо для підключення системи електричного калібрування приладу; 7—стрілочний індикатор; 9 — вихід для підключення осцилографа або магнітофона; 8 — клема заземлення.

Рис. 1 – Загальна будова пристрою ВШВ-1:

1 – вхід; 2 - перемикач октавних смуг фільтру; 3 - гніздо із шліцами для калібрування приладу — верхнє для вимірювання шуму, нижнє для вимірювання вібрації; 4- тумблер перемикання роботи на мікрофон або віброприймач; 5 - індикатор живлення; 6 - гніздо для підключення системи електричного калібрування приладу; 7 - стрілочний індикатор; 8 - клема заземлення; 9 - вихід для підключення осцилографа або магнітофона; 10 - перемикач роду роботи; 13 і 11 — перемикачі меж вимірювання «дБ-I» і «дБ-ІІ»;