6.5. Вібрація

Вібрація — це механічні коливання з частотою від 0,01 до 500 Гц твердих тіл, частин апаратів, машин, устаткування, споруд, що сприймаються організ-мом людини як струс та призводять до розладу життєвих функцій людини, шкід-ливо впливають на роботу обладнання та руйнують будівельні конструкції. Най-простішим видом таких коливань є гармонійні коливання, при яких відбува-ється почергове наростання та спадання в часі (за синусоїдальним законом) значень рухомої точки чи механічної системи.

Джерелами вібрації є виробниче обладнання, транспорт, будівельні маши-ни. Вібрації виникають, зазвичай, при роботі машин та механізмів, які мають неврівноважені і незбалансовані частини, що обертаються чи здійснюють зво-ротно-поступальний рух. До такого устаткування належать оброблювальні верс-тати, штампувальні та ковальські молоти, електро- та пневмоперфоратори, електроприводи, насосні установки, компресори, механізований інструмент та ін. При роботі даного устаткування вібрація відіграє негативну роль. У той же час, вібрацію застосовують і для інтенсифікації виробничих процесів, напри-клад, при ущільнені бетонних сумішей, роздрібнюванні та сортуванні інерт-них матеріалів, розвантажуванні та сортуванні сипучих матеріалів.

Основними характеристиками вібрації, є:

1) період вібрації (Т) — найменший інтервал часу, через який під час періодичної вібрації повторюється кожне значення величини, яка характеризує вібрацію, с;

2) частота вібрації (f) — величина, обернено пропорційна періоду вібрації, яка показує кількість коливань за одиницю часу точки підчас вібрації, Гц. Частота гармонійного вібраційного процесу визначається за формулою f=п/60 (Гц), де п — кількість коливань за хвилину;

3) вібропереміщення (S) — миттєве значення кожної з координат, які описують положення тіла, чи матеріальної точки під час вібрації, м;

4) амплітуда вібропереміщення (А) — найбільше відхилення точки, яка коливається з певною частотою, від положення рівноваги, м;

5) віброшвидкість (V) — кінематичний параметр, що дорівнює швидкості переміщення (перша похідна вібропереміщення) точки, яка коливається з певною частотою, м/с. При гармонійному вібраційному процесі віброшвид-кість розраховується виразом V=2∙∙f∙А=∙А, де  — циклічна частота (1/с²);

6) віброприскорення (а) — кінематичний параметр, що дорівнює прискорен-ню переміщення (друга похідна вібропереміщення) точки, яка коливається з певною частотою, м/с². При гармонійному вібраційному процесі вібропри-скорення розраховується виразом а=(2∙∙f)²∙А, (м/с²);

7) рівні вібрації — відносні параметри, що характеризують дію вібрації на люди-ну. Вони визначаються відносно граничного (порогового) значення відпові-дного параметра (амплітуди вібропереміщення A₀=8∙10^-12 м, віброшвидкості V₀=5∙10^-8 м/с, віброприскорення а₀=3∙10^-4 м/с²) і вимірюються в децибелах (дБ). Найчастіше для оцінки вібрації використовують логарифмічний рівень віброшвидкості L_V, який визначається за формулою: L_V=20∙lg(V/V₀) (дБ), де V і V₀ — абсолютне і порогове значення віброшвидкості відповідно. У випадку, коли рівень вібрації визначається через віброприскорення, маємо: L_а=20∙lg(а/а₀), де а і а₀ — абсолютне і порогове значення віброприскорення відповідно.

Залежно від способу передачі вібрації тілу людини розрізняють:

1) загальну вібрацію (вібрацію робочих місць), яка передається всьому тілу людини через опорні поверхні (підлогу, сидіння, робочий майданчик);

2) локальну вібрацію (місцеву вібрацію), яка діє на окремі ділянки тіла, в першу чергу кінцівки. Локальна вібрація передається через руки працю-ючих при контакті з ручним механізованим інструментом, органами керу-вання машинами та обладнанням, деталями, які обробляються і т. п.

Можлива також одночасна дія загальної та локальної вібрації. Наприклад, при роботі на дорожньо-будівельних машинах на руки передається локальна вібрація від органів керування, а на все тіло — від машини через сидіння.

Залежно від джерела виникнення загальна вібрація підрозділяється на:

1) транспортну, яка діє на людину, що знаходиться в рухомому транспортно-му засобі — пасажири й оператори (водії) транспортних засобів (автомобі-лів, тракторів, бронетехніки);

2) транспортно-технологічну, яка передається оператору машини з обмеженим переміщенням, що здійснюється по спеціально підготовленим поверхням виро-бничих приміщень, промислових площадок та гірничих виробок (екскаватори, промислові та будівельні крани, автонавантажувачі, авто- та електрокари);

3) технологічну, яка діє на операторів стаціонарних машин або передається через підлогу, фундаменти чи робочі площадки на робочі місця, що не мають джерел вібрації (метало- і деревооброблювальні верстати, ковальсько-пре-сувальне устаткування, насосні станції, бурові вишки).

Загальну технологічну вібрацію за місцем дії поділяють на такі типи:

1) на постійних робочих місцях виробничих приміщень підприємств;

2) на робочих місцях складів, їдалень, побутових, чергових та інших виробни-чих приміщень, де немає джерел вібрації;

3) на робочих місцях заводоуправлінь, конструкторських бюро, лабораторій, об-числювальних центрів, медпунктів, конторських приміщень, робочих кімнат та інших приміщень для працівників розумової праці.

За джерелом виникнення локальну вібрацію поділяють на таку, що передається від:

1) ручних машин або ручного механізованого інструменту, органів керування машинами та устаткуванням;

2) ручних інструментів без двигунів (наприклад, рихтувальні молотки) та дета-лей, які обробляються.

За часовими характеристиками загальні та локальні вібрації поділя-ються на:

1) постійні, для яких величина віброприскорення чи віброшвидкості зміню-ється менше ніж у два рази (менше 6 дБ) за робочу зміну;

2) непостійні, для яких вищеперераховані параметри вібрації змінюються не менше ніж у два рази (6 дБ і більше) за робочу зміну. В свою чергу, непостійні вібрації поділяються на: коливні, рівні яких безперервно зміню-ються в часі; переривчасті, коли контакт з вібрацією в процесі роботи переривається, причому довжина інтервалів, під час яких має місце кон-такт, становить більше 1 с; імпульсні, що складаються з одного або кількох вібраційних впливів (наприклад, ударів), кожен довжиною менше ніж 1 с, при частоті їх дії менше ніж 5,6 Гц.

Вплив вібрації на організм людини може завдати великої шкоди її здо-ров’ю — від значних змін багатьох функцій організму до зміщення та змен-шення органів, струсу мозку, деформації або розриву тканин та клітин окре-мих органів. При нетривалій дії вібрації працівник передчасно втомлює-ться, при цьому його продуктивність праці знижується. При тривалій дії вібрації на організм людини спостерігаються порушення роботи центральної та вегетативної нервових систем, шлунково-кишкового тракту, вестибулярного та опорно-рухового апарату, серцево-судинної системи та статевих органів, де-формації м’язів і кісток, порушення чутливості шкіри, периферійного кро-вообігу, спазм судин, зміни у суглобах, що призводить до обмеження їх рухо-мості. Низькочастотна вібрація (0,01...16 Гц) дуже негативно впливає на проце-си обміну речовин в організмі людини: змінює вуглеводний обмін, біохімічні показники крові, що призводить до порушення білкового, ферментативного, вітамінного та холестеринового обмінів.

Найбільш небезпечною для внутрішніх органів людини є загальна вібрація з частотою від 1 до 250 Гц, оскільки вона може збігатись з їх власною частотою коливань. В результаті цього може виникнути резонанс, що призведе до значних переміщень і механічних ушкоджень внутрішніх органів. Для голови негативною є вібрація з частотою 1...20 Гц. Для грудей, діафрагми та живота резонансними є частоти 3...4 Гц. Для серця — 5...6 Гц. Вібрація з частотою 60...90 Гц викликає серйозні розлади зорового сприйняття (резонанс очних яблук). На центральну нервову систему дуже негативно впливає вібрація з частотою 200...250 Гц.

Ступінь та характер впливу вібрації на організм людини залежить не лише від виду та параметрів, а також і від напрямку її дії. Тому вібрація поділяєть-ся залежно від осей ортогональної системи координат X, Y, Z, вздовж яких вона діє. Особливо чутливий організм людини до вертикальної загальної вібрації (вздовж осі Z), коли коливання передаються від ніг до голови.

Тривала дія вібрації, може спричинити розвиток такого професійного зах-ворювання, як вібраційна хвороба, що супроводжується незворотними змінами в багатьох системах організму, а її ефективне лікування можливе лише на ран-ній стадії. Під час розвитку цієї хвороби з'являється оніміння, відчуття пов-зання мурашок, біль у суглобах тощо. Одночасна дія підвищеного шуму та віб-рації, охолодження всього організму або кінцівок поглиблюють захворювання. Найбільша небезпека розвитку вібраційної хвороби виникає при впливі вібрації з амплітудою коливань 0,101...0,3 мм та частотою 16...250 Гц. .

Форми вібраційної хвороби, викликаної локальною та загальною вібрацією, різні. Найбільш поширена віброхвороба, викликана впливом локальної вібрації. Ця форма віброхвороби характеризується ураженням нервово-м’язової та опорно-рухової системи і менш вираженими змінами судинної системи. Судинні розлади проявляються через порушення периферійного кровообігу, зміни тонусу капілярів. Це спричинює судоми судин, котрі починаються з пальців і поширю-ються на всю кисть, передпліччя. Судоми досягають судин серця, порушується постачання кінцівок кров’ю. Локальна вібрація, впливаючи на нервові закінчення, м’язи та кісткові тканини, зумовлює зниження чутливості шкіри, скостеніння су-хожиль м’язів, відкладення солей в суглобах пальців та кистей. Зовнішньою оз-накою цих явищ є побіління пальців рук. Під впливом вібраційної хвороби виникає ниючий біль у верхніх кінцівках, котрий відчувається переважно вночі та під час відпочинку. Симптом віброхвороби — розлад чутливості, особливо вібраційної, больової та температурної. Локальна вібрація впливає на осіб, котрі працюють з ручним механізованим інструментом. Загальна вібрація викликає віброхворобу у водіїв транспортних засобів та операторів транспортно-технологічних машин та агрегатів. Основний симптом цієї форми віброхвороби вестибулопатія (ознаками є запаморочення, головний біль, гіпергідроз).

Профілактика впливу вібрацій на організм людини включає ряд заходів технічного, санітарно-гігієнічного та лікувального характеру. Найкращим захис-том є дотримання нормативних параметрів інтенсивності вібрації. Допустимі рівні вібрації передбачають допустимі значення коливальної швидкості, що передається на руки безпосереднім контактом із вібруючою поверхнею.

Розрізняють гігієнічне та технічне нормування вібрації. При гігієнічному нормуванні регламентуються відповідні умови щодо захисту від вібрації люди-ни, а при технічному — щодо захисту машин, устаткування, механізмів і т. п. від дії вібрації, яка може призвести до їх пошкодження чи передчасного виходу з ладу. Основним нормативним документом з охорони праці стосовно вібрації є Державні санітарні норми виробничої загальної та локальної віб-рації ДСН 3.3.6.039-99.

Дія вібрації на організм людини залежить від таких її характеристик: інтенсивності, спектрального складу, тривалості впливу, напрямку дії.

Гігієнічна оцінка вібрації, що діє на людину у виробничих умовах здійс-нюється за допомогою таких методів: частотного (спектрального) аналізу її параметрів; інтегральної оцінки по спектру частот параметрів, що нормують-ся; дози вібрації. При частотному (спектральному) аналізі параметрами, що нормуються є середні квадратичні значення (квадратний корінь із середнього арифметичного квадрата значення в певному інтервалі часу) віброшвидкості V та віброприскорення а, або їх логарифмічні рівні у дБ в діапазоні октавних смуг із середньогеометричними частотами: а) 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16,0; 31,5; 63,0 Гц для загальної вібрації; б) 8.0; 16,0; 31,5; 63,0; 125,0; 250,0; 500,0; 1000,0 Гц для локальної вібрації. При використанні методу інтегрованої оцінки по спект-ру частот параметром, що нормується, є коректоване значення віброшвидкості чи віброприскорення (U), що вимірюється за допомогою спеціальних фільт-рів, або обчислюється за формулами, наведеними в ДСН 3.3.6.039-99. При дії непостійної вібрації (крім імпульсної) параметром, що нормується, є вібра-ційне навантаження (доза вібрації, еквівалентний коректований рівень), одер-жане робітником протягом зміни та зафіксоване спеціальним приладом або обчислене для кожного напрямку дії вібрації (X, Y, Z). При дії імпульсної віб-рації з піковим рівнем віброприскорення від 120 до 160 дБ, параметром, що нор­мується є кількість вібраційних імпульсів за зміну (годину), в залежності від тривалості імпульсу. Гігієнічні норми вібрації, що діє на людину у виробничих умовах встановлені для тривалості 480 хв. (8 годин). При дії вібрації, яка пере-вищує гранично допустимий рівень, сумарний час її дії протягом робочої зміни повинен бути меншим.

Для вимірювання вібрації, як правило, використовуються прилади, принцип роботи яких базується на перетворенні кінематичних параметрів вібрації в електричні, що вимірюються чи фіксуються. Як первинні вимірювальні засоби (давачі) використовуються ємнісні, індукційні, п'єзоелектричні перетворювачі вібропереміщення, віброшвидкості, віброприскорення. Для вимірювання пара-метрів вібрації застосовуються віброметри ВК-5М, ВМ-1, ВИП-2, апаратура контрольно-сигнальна вібровимірювальна типу ВВК-003, ВВК-005, вимірювачі шуму та вібрації ВШВ-003-М2 та ін.

Заходи та засоби захисту від вібрації за організаційною ознакою поді-ляються на колективні та індивідуальні. Засоби індивідуального захисту (ЗІЗ) від вібрації за місцем контакту працівника з об'єктом, що вібрує підрозділяють-ся: ЗІЗ для рук (рукавички, прокладки); ЗІЗ для ніг (спеціальне взуття, підметки, коврики, наколінники); ЗІЗ для тіла (нагрудники, пояси, спеціальні костюми).

Колективні заходи та засоби віброзахисту можна підрозділити за такими напрямами: зниження вібрації в джерелі її виникнення; зменшення параметрів вібрації на шляху її поширення від джерела; організаційно-технічні заходи; лікувально-профілактичні заходи.

Зменшення вібрації в джерелі її виникнення досягається шляхом засто-сування таких кінематичних та технологічних схем, які усувають чи мінімально знижують дію динамічних сил. Так, вібрація ослаблюється при заміні кулачко-вих та кривошипних механізмів на механізми, що обертаються з рівномірною швидкістю, механічних приводів — на гідравлічні і т. п. Зменшення вібрації досягається також статичним та динамічним зрівноважуванням механізмів та об'єктів, що обертаються. Дія динамічних сил може посилитись внаслідок спра-цювання окремих механізмів, появи зазорів та люфтів, поганого зчеплення деталей, що призводить до посилення вібрації. При проектуванні устаткування важливо передбачити недопущення резонансних режимів його роботи. Це досягається раціональним вибором маси та жорсткості коливальної системи або частоти змушувальної сили.

Контакту працівника з віброоб'єктом, а відтак і шкідливої дії вібрації можна уникнути шляхом використання дистанційного керування, автоматич-ного контролю та сигналізації, а також застосування захисного огородження. Якщо цього досягти неможливо, то необхідно при контакті працівника з віб-рооб'єктом домогтися зменшення параметрів вібрації на шляху її поширення від джерела змушувальної сили. Це можна досягти за допомогою вібропогли-нання, віброгасіння та віброізоляції.

Вібропоглинання (вібродемпфірування) полягає в штучному збільшенні втрат у коливальній системі, при цьому енергія вібрації перетворюється в теп-лову. Для цього найчастіше використовують конструктивні матеріали з вели-ким внутрішнім тертям (пластмаси, сплави марганцю та міді, магнієві сплави) або наносять на поверхні, що вібрують, шар пружно-в'язких матеріалів, які збільшують внутрішнє тертя в коливній системі (покриття поверхонь, що віб-рують, гумою та пружно-в'язкими мастиками на основі полімерів, мащення вузлів та з'єднань).

Динамічне віброгасіння полягає у збільшенні реактивного опору колив-ної системи. Засоби динамічного віброгасіння за принципом дії поділяється на ударні та динамічні віброгасники. Останні за конструктивною ознакою можуть бути пружинними, маятниковими, ексцентриковими та гідравлічними. Вони, зазвичай, являють собою додаткову коливну систему, яка встановлюється на агрегаті, що вібрує, масою М та жорсткістю С. Причому маса т та жорст-кість с цієї системи підібрані таким чином, що в кожний момент часу збуд-жуються коливання, які знаходяться в протифазі з коливаннями агрегату. Недоліком динамічних віброгасників є те, що вони налаштовані на певну частоту, яка відповідає їх резонансному режиму коливання. Для зниження вібрації застосовують також ударні віброгасники маятникового, пружинного і плаваючого типів. У них здійснюється перехід кінетичної енергії відносного руху елементів, що контактують, в енергію деформації з поширенням напру-жень із зони контакту по елементах, що взаємодіють. Внаслідок цього енергія розподіляється по об'єму елементів віброгасника, які зазнають взаємних ударів, викликаючи їх коливання. Одночасно відбувається розсіювання енергії внаслі-док дії сил зовнішнього та внутрішнього тертя. Маятникові ударні віброгас-ники використовуються для гасіння коливань частотою 0,4...2,0 Гц, пружинні — 2...10 Гц, плаваючі — понад 10 Гц. Віброгасники камерного типу призначе-ні для перетворення пульсуючого потоку газу чи рідини в рівномірний. Такі віброгасники встановлюються на всмоктувальній та нагнітальній сторонах компресорів, на гідроприводах, водогонах і т. п. Динамічне віброгасіння досягається також встановленням агрегату на масивному фундаменті. Маса фундаменту підбирається таким чином, щоб амплітуда його коливань не пере-вищувала допустимих значень.

Віброізоляція полягає у введені в коливну систему додаткового пружного зв'язку, який перешкоджає передачі вібрації від об'єкта, що вібрує, до основи, суміжних конструкцій чи людини. Вона є єдиним ефективним способом змен-шення вібрації, що передається на руки від ручного механізованого інструмента. Для цього держак відокремлюється від корпуса інструмента, що вібрує, за допомогою пружного елемента. Пружні елементи, що вводяться в коливну сис-тему (віброізолятори, амортизатори) можуть бути пружинні, гумові, гідрав-лічні, пневматичні та комбіновані.

Комплекс лікувально-профілактичних заходів захисту від вібрації пе-редбачає: попередній та періодичні медичні огляди; заборону допуску до вібра-ційних робіт осіб молодших 18 років та таких, що мають відповідні протипока-зання у стані здоров'я; лікувальну гімнастику та масаж рук; спеціальні режими праці та відпочинку. Так, якщо допустимий сумарний час дії локальної вібрації більший за необхідний технологічний час праці за зміну, то він повинен дові-льно розподілятися у межах робочої зміни з додержанням двох регламенто-ваних перерв (перша — 20 хвилин за 1...2 годину від початку роботи, друга — 30 хвилин через 2 години після обідньої перерви) та обідньої перерви не менше ніж 40 хвилин.