20

Ми­ни­стерство образования рф

Пермский государственный технический университет

Кафедра безопасности жизнедеятельности и

рудничной вентиляции.

Оценка производственной вибрации,

методы и средства защиты от нее

Методические указания к учебно-исследовательской

лабораторной работе

Пермь 2001

Составитель н.А.Трофимов

УДК 331.453.24

Оценка производственной вибрации, методы и средства защиты от нее: Метод. указания к учебно-исследовательской лабораторной работе /Сост. Н.А. Трофимов; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2001. -19 c.

Издается под редакцией автора

Приведены цели лабораторной работы, общие теоретические сведения о вибра­ции, воздействие ее на организм человека, нормирование производственной вибрации и защита от нее. Изложено описание конструкции лабораторного стенда, принципа действия измерительного прибора, а также методика проведения и обработки резуль­татов измерений нормируемых параметров вибрации и оценки коэффициента эффек­тивности виброизоляции.

Предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех специ­альностей университета.

Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, доцент А.Д. Овсянкин

 Пермский государственный

технический университет, 2001

Цели работы:

1. Ознакомление с общими сведениями о вибрации и вредным воз-

действием ее на организм человека.

2. Изучение нормируемых параметров вибрации.

3. Изучение способов измерения некоторых параметров вибрации и

сопоставление их с сани­тарными нормами.

2. Ознакомление с методами и средствами защиты от вибрации.

3. Изучение способа оценки качества применяемой виброизоля­ции.

1. Теоретическая часть

1.1. Общие сведения

Определившиеся тенденции и прогнозы развития техники свидетельствуют о том, что качественные изменения механизмов и машин достигаются главным образом за счет увеличения скоростных и силовых параметров при одновременном снижении их материалоемкости. Это неизбежно обуславливает возрастание динамических нагру­зок, механических воздействий и, следовательно, вибрационной активности выпус­каемых машин и производственного оборудования. Распространению вибрации на со­временных предприятиях способствует также широкое использование механизмов и машин ударного, возвратно-поступательного, вибрационного принципов действия, транспортирующих агрегатов, ручных и передвижных машин различных типов и на­значения.

Производственная вибрация выступает как вредное явление прежде всего к са­мим машинам, так как интенсифицирует износ, снижает их надежность и долговеч­ность, повышает уровни излучаемого шума и т.п. В этой связи по интенсивности виб­рации принято судить о качестве машины и ее техническом состоянии. Распространя­ясь по строительным конструкциям и грунту, вибрация воздействует на другие объ­екты, вызывая разрушение строительных конструкций, трубопроводов различного на­значения и ухудшая работу приборов и точных станков. И, наконец, контакт человека с вибрирующими объектами отрицательно сказывается на его здоровье и работоспо­собности: повышается утомляемость, снижается производительность и качество труда, а также развивается профзаболевание – вибрационная болезнь, которая в последние годы во всех развитых странах занимает 2-е место в профзаболеваниях.

В соответствии с ГОСТ 24346 – 80 под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убы­вание обычно во времени значений какой – либо величины, его характеризующей.

По механизму генерации различают вибрации с силовым, кинематическим и па­раметрическим возбуждением.

Силовое возбуждение вибрации – это возбуждение вибрации системы вынуж­дающими силами и (или) моментами. Источниками их являются: возвратно-поступа­тельные движущиеся системы (кривошипно-шатунные механизмы, ручные вибраторы и перфораторы, вибротрамбовки, виброплиты, вибробункеры и т.п.); неуравновешан­ные вращающиеся массы (ручные электрические и пневматические шлифовальные машины, режущий инструмент станков, вентиляторы и т.п.); ударные системы (ковоч­ные и штамповочные молоты, подшипниковые узлы, зубчатые передачи и т.п.).

Кинематическое возбуждение вибрации – возбуждение вибрации системы сооб­щением каким-либо ее точкам заданных движений, не зависящих от состояния сис­темы. Причинами его являются воздействие профиля дороги на автомобили и строи­тельно-дорожные машины, электрокары и ручные тележки в помещениях, колебания пола помещений и т.п.

Параметрическое возбуждение вибрации – это возбуждение колебаний (вибрации) системы не зависящим от состояния системы изменением во времени одного или нескольких ее параметров (массы, момента инерции, коэффициентов жесткости и сопротивления). Источниками являются двигатели внутреннего сгорания при изменении давления газов в цилиндрах, пневматические двигатели и т.п.

По характеру изменения во времени различают колебания детерминированные (периодические или почти периодические), случайные (стационарные или нестацио­нарные) и импульсные или затухающие, которые могут быть простыми и сложными.

Сложные колебательные процессы могут быть представлены в виде простых гармонических (синусоидальных) колебаний с помощью ряда Фурье.

Колебания подразделяются на свободные и вынужденные. Свободные колебания – колебания (вибрация) системы, происходящие без переменного внешнего воздейст­вия и поступления энергии из вне. Вынужденные колебания – колебания (вибрация) системы, вызванные и поддерживаемые силовым и (или) кинематическим возбужде­нием.

Основными величинами, характеризующими вибрацию, происходящую по сину­соидальному закону, являются: амплитуда виброперемещения S_а – величина наиболь­шего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия; амплитуда вибро­скорости V_а – максимальное значение скорости колеблющейся точки; амплитуда виб­роускорения а_а – максимальное значение ускорения колеблющейся точки; период ко­лебаний Т – наименьший интервал времени, через который при периодических коле­баниях (вибрации) повторяется каждое значение колеблющейся величины, характери­зующей вибрацию, и частота колебаний f – величина, обратная периоду колебаний.

Виброскорость и виброускорение связаны с виброперемещением и частотой ко­лебаний соотношениями:

V = 2  f  S и a = (2  f)²  S (1.1)

Учитывая, что абсолютные значения величин, характеризующих вибрацию, из­меняются в очень широких пределах, в практике виброакустических исследований и инженерных расчетах используют логарифмические уровни колебаний. Под ним по­нимается сравнительная характеристика колебаний двух одноименных физических ве­личин, пропорциональная десятичному логарифму отношения оцениваемого и исход­ного значений величины

L = 20  lq (b  b_о^1), (1.2)

где b – оцениваемое значение величины (скорость, ускорение и т.п.); b_о – ис­ходное значение величины (скорости, ускорения и т.п.).

Так, например, уровни виброскорости и виброускорения определяются соответ­ственно как

L_V = 20  lq (V  V_o^1) и L_A = 20  lq (a  a_o^1),

где V и а – оцениваемые значения соответственно виброскорости и виброуско­рения; V_o и а_о – исходные (пороговые) значения виброскорости и виброускорения. Согласно меж­дународ­ному соглашению принято V_о = 5  10 ^{ 8} м/с и а_о = 3  10 ^{ 4} м/с².

Уровни колебаний (вибрации) измеряются в децибелах (дБ).

В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию (например, виброскорость) является некоторой функцией времени: V = V(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде суммы бесконечно долго длящихся гармонических (синусоидальных) колебаний с различными амплитудами и периодами. В случае периодических колебаний частоты этих составляющих кратны основной частоте колебаний (процесса): f_n = n  f₁, где n = 1,2,3,..; f₁ – основная частота колебаний.

Основной характеристикой в производственной безопасности или охране труда является спектр вибрации, под которым понимается совокупность соответствующих гармоническим составляющим значений величины, характеризующей колебания (вибрации), в которой указанные значения располагаются в порядке возрастания частот гармонических составляющих. Периодическим и почти периодическим колебаниям соответствует дискретный спектр, непериодическим – не­прерывный спектр. Если колебания представляют собой наложение периодических и случайных колебаний, то спектр имеет смешанный характер.

Интенсивность вибрационных воздействий на человека, приборы и другие объ­екты зависит от частоты. Поэтому весь диапазон частот колебаний принято разбивать на отрезки (полосы частот) и определять уровни вибрации для каждой полосы в от­дельности. В качестве стандартных частотных полос при оценке вибрационной безо­пасности принимают октавные полосы, у которых отношение верхних граничных час­тот к нижним частотам равно 2. Каждую октавную полосу принято обозначать средне­геометрическим значением ее граничных частот, определяемым по формулам

f_c = (f_max  f_min) ^0,5 = 2 ^0,5 f_min  1,41 f_min , (1.3)

где f_min – нижняя, а f_max – верхняя граничная частота, Гц, причем f_max = 2 f_min.

При необходимости октавные полосы делят на третьоктавные, для которых f_max = 2^1/3f_min 1,26 f_min. Например, первая октавная полоса имеет граничные частоты 0,7 и 1,4 Гц, а ее среднегеометрическая частота f_c = 1 Гц; следующая, соответственно 1,4….2,8 Гц и 2 Гц и т. д.

По способу передачи на человека различают общую, передающуюся через опор­ные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передаю­щуюся через руки человека, вибрацию.

Общая вибрация в соответствии с ГОСТ 12.1.012 – 90 и СН 2.2.4/2.1.8.566 – 96 в зависимости от ее источ­ника подразделяется на три категории:

1 – транспортная вибрация, воздействующая на операторов самоходных и при­цепных машин и транспортных средств при их движении по местности, агрофонам и дорогам, в т.ч. при их строительстве;

2 – транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на операторов ма­шин с ограниченной подвижностью, перемещающихся только по специально подго­товленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок и горных выработок;

3 «а» – технологическая вибрация, воздействующая на операторов стационарных машин и оборудования или передающаяся на рабочее место, не имеющее источников вибрации;

3 «б»­  технологическая вибрация, передающаяся на рабочие места, где нет ге­нерирующих вибрацию машин;

3 «в» – вибрация на рабочих местах работников умственного труда и персонала, не занимающегося физическим трудом.

Вибрация в зависимости от времени действия подразделяется на:

 постоянную, при которой величина контролируемого параметра за время наблю­дения изменяется не более чем в два раза (на 6 дБ);

 непостоянную, при которой величина контролируемого параметра изменяется более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с по­стоянной времени 1 с, в том числе колеблющуюся, прерывистую и импульсную.

1.2. Воздействие вибрации на организм человека

Знание механизма и последствий воздействия вибрации на организм человека необходимо специалистам и врачам для того, чтобы предусматривать надежные ме­тоды и средства вибрационной защиты человека и осуществлять эффективные профи­лактические и лечебные мероприятия.

Вибрация относится к факторам, обладающим большой биологической активно­стью. Выраженность реакций обуславливается главным образом величиной энергети­ческого воздействия и биохимическими свойствами человеческого тела, как сложной колебательной системы.

В возникновении реакции организма на воздействие вибрации важную роль иг­рают анализаторы центральной нервной системы – вестибулярный, зрительный, кожный, слуховой и др.

Степень распространения колебаний по телу зависит от их частоты и амплитуды, продолжительности воздействия, площади участков тела, соприкасающихся с вибри­рующим объектом, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явления резонанса и других условий.

Производственная вибрация, имея широкий частотный диапазон (от десятых до­лей до нескольких тысяч Гц) колебаний, воздействует посредством раздражения нерв­ных периферических окончаний (рецепторов) в местах контакта, вызывая изменения как физиологического, так и функционального состояния организма. Общая характе­ристика негативного влияния вибрации на организм человека приведена в табл. 1.1.

Характер и течение виброболезни зависят от многих факторов. Важнейшими из них являются: уровень вибрации и частота, продолжительность и направление воздей­ствия на организм человека, состояние окружающей среды (освещенность, запыленность и температура воздуха, рабочее положение тела и т.п.) и условий труда работаю­щих, физические и физиологические свойства организма человека.

Выделяются три стадии проявления виброболезни: начальная (1 стадия), уме­ренно выраженная (11 стадия) и выраженная (111 стадия).

При начальных проявлениях виброболезни двигательные функции человека не страдают, состояние здоровья и работоспособность сохранены и не отражаются на ка­ких-либо социальных и экономических показателях. Умеренно выраженная стадия обуславливает снижение функциональных показателей здоровья. Отмечается сниже­ние адаптационных возможностей организма и социальной активности работающих. Могут быть снижены экономические показатели в работе и трудоспособности боль­ного. Выраженное проявление вибрационной болезни сопровождается заметным сни­жением профессиональной трудоспособности, при этом изменения состояния здоровья приобретают необратимый характер.

Необходимо иметь в виду, что виброболезнь относится к группе заболеваний, эффективное лечение которых возможно лишь на ранних стадиях. Восстановление на­рушенных функций протекает очень медленно, а в особо тяжелых случаях в организме наступают необратимые изменения, приводящие к инвалидности.

Таблица 1.1

Негативное влияние вибрации на человека

Вид изменений в организме	Симптомы изменений	Результаты вибраци­онного воздействия
Функциональные Физиологические	Повышение утомляемости Увеличение времени двигательной реакции Увеличение времени зрительной ре­акции Нарушение вестибулярных реакций и координации движений Развитие нервных заболеваний Нарушение функций сердечно-сосу­дистой системы Нарушение функций опорно-двига­тельного аппарата Поражение мышечных тканей и сус­тавов Нарушение функций органов внут­ренней секреции Нарушение функций половых орга­нов	Снижение произво­дительности труда и качества работы Возникновение виб­рационной болезни

Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц (качка) не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь.

Современная медицина рассматривает производственную вибрацию как мощный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспо­собность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека, повышающий вероятность возникновения различных заболеваний и несчастных случаев. Особенно опасно длительное воздействие вибрации для женского организма.

1.3. Нормирование вибрации

Различают техническое и гигиеническое нормирование вибрации. Техническое нормирование устанавливает допустимые значения вибрационных характеристик ма­шин, под которыми понимается количественный показатель вибрационной активности машин, устанавливаемый и контролируемый для оценки ее технических свойств с по­зиции обеспечения вибрационной безопасности труда. Это нормирование адресуется в первую очередь создателям машин – конструкторам и технологам. Требования к виб­рационным характеристикам машин изложены в ГОСТ 12.1.012 – 90. Основу гигиени­ческого нормирования составляют критерии здоровья человека при воздействии на него вибрации с учетом напряженности и тяжести труда. Применение санитарной нормы дает возможность объективно оценивать условия труда на каждом рабочем месте, определять степень виброопасности, производить выбор методов и средств виб­рационной защиты. В настоящее время документами, регламентирующими санитар­ные нормы вибрации, являются ГОСТ 12.1.012 – 90 и СН 2.2.4/2.1.8.566 – 90.

В соответствии с этими документами нормируется вибрационная нагрузка на оператора, под которой понимается количественный показатель условий труда чело­века-оператора при воздействии на него вибрации. К показателям вибрационной на­грузки относятся: виброускорение (виброскорость) и их логарифмические уровни, диапазон частот и время воздействия вибрации.

Нормируемый диапазон частот устанавливается:

 для локальной вибрации в виде октавных полос со среднегеометрическими час­тотами 1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000 Гц;

 для общей вибрации – октавных и третьоктавных полос со среднегеометриче­скими частотами 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40; 50; 63; 80 Гц.

Время воздействия вибрации принимается равным длительности непрерывного или суммарного воздействия.

Нормируемыми показателями вибрационной нагрузки на оператора на рабочих местах в процессе труда являются:

 при постоянной вибрации – спектральные или корректированные по частоте значения контролируемого параметра;

 при непостоянной вибрации – значения дозы вибрации или эквивалентного кор­ректированного значения контролируемого параметра.

Корректированное по частоте значение контролируемого параметра U определя­ется по формуле

U = (U_i  k_i)² ^0,5, (1.4)

где U_i – cреднее квадратическое значение контролируемого параметра (виброскорости или виброускорения) в i-й частотной полосе; n – число частотных полос в нормируе­мом диапазоне; k_i – весовой коэффициент для i-й частотной полосы для среднего квадратического значения контролируемого параметра (приведены в вышеуказанных ГОСТ и СН).

Доза вибрации D определяется по формуле

D = U²(t)  dt, (1.5)

где U(t) – корректированное по частоте значение контролируемого параметра в момент времени t; Т – время воздействия вибрации.

Эквивалентное корректированное значение U_экв определяется как U_экв = (D  T ^–1)^0,5 (1.6)

Нормы показателей вибрационной нагрузки на оператора устанавливаются по трем координатным осям X, Y и Z и с учетом категории вибрации.

Извлечение из норм спектральных показателей вибрационной нагрузки на опе­ратора для длительности вибрационного воздействия 8 ч приведены в табл. 1.2.

Норму вибрационной нагрузки на оператора по спектральным и корректирован­ным по частоте значениям контролируемого параметра U_t при воздействии вибрации менее 8 ч определяют по формуле

U_t = U₄₈₀  (480 / Т) ^0,5 , (1.7)

где U₄₈₀ – норма вибрационной нагрузки на оператора для длительности воздействия 480 мин (8 ч); Т – длительность воздействия вибрации (при Т 30 мин в качестве нормы принимают значение для Т = 30 мин), мин.

Дозовый метод и методы одночисловой оценки дополняют методы спектраль­ного нормирования и оценки, которые основываются на концепции частотно-избира­тельного энергетического воздействия вибрации на оператора, его физиологической значимости. Дозовый метод позволяет надежно и быстро проводить оценку вибрации на рабочих местах, определять предельное время работы даже в условиях трудно хро­нометрируемых режимов работы при воздействии непостоянной вибрации и оценивать вибрационную нагрузку на оператора в течение рабочей смены. Выбор метода опре­деляется задачами оценки воздействия вибрации на оператора, наличием соответст­вующей аппаратуры, необходимостью выбора средств виброзащиты и т.п. Причем ме­тод спектрального анализа является универсальным, так как позволяет переходить к методам одночисловой оценки. Другие методы удобнее использовать для оператив­ного контроля условий труда и оценки их вибрационной безопасности.

1.4. Обеспечение вибробезопасности труда

В соответствии с ГОСТ 12.1.012 – 90 вибробезопасность труда на предприятиях должна обеспечиваться:

 соблюдением правил и условий эксплуатации машин и ведения технологических процессов, использованием машин только в соответствии с их назначением, преду­смотренным научно-технической документацией;

 поддержанием технического состояния машин, параметров технологических процессов и элементов производственной среды на уровне, предусмотренном научно-технической документацией, своевременным проведением планового и предупредительного ремонта машин;

 совершенствованием режимов работы машин и элементов производственной среды, исключением контакта работающих с вибрирующими

поверхностями за пределами рабочего места или зоны введением ограждений, предупреждающих знаков, ис­пользованием предупреждающих надписей, окраски, сигнализации, блокировки и т.п.;

 улучшением условий труда (в т.ч. снижением или исключением действия сопут­ствующих неблагоприятных факторов);

 применением средств индивидуальной защиты от вибрации (рукавицы, перчатки, вкладыши, прокладки, спецобувь, подметки, наколенники, нагрудники, пояса, специальные костюмы);

 введением и соблюдением режимов труда и отдыха, в наибольшей мере сни­жающих неблагоприятное воздействие вибрации на человека;

 санитарно-профилактическими и оздоровительными мероприятими, преду­смотренными рекомендациями Минздрава и его органов;

 контролем вибрационных характеристик машин и вибрационной нагрузки на операторов, соблюдением требований вибробезопасности и выполнением предусмот­ренных для условий эксплуатации мероприятий.

При недостаточности этих мер должны использоваться методы и средства борьбы с вибрацией в источнике и на путях ее распространения по ГОСТ 26568.

Уменьшение вибрации в источнике ее возникновения достигается путем устране­ния или уменьшения действия различных причин, вызывающих силовое, кинематиче­ское или параметрическое возбуждение колебаний.

Уменьшение параметров вибрации на путях ее распространения достигается ис­ключением контакта оператора с вибрирующим объектом и использованием различ­ных методов защиты в случае контакта оператора с вибрирующим объектом (динами­ческое виброгашение, демпфирование, виброизоляция и т.п.). При динамическом виб­рогашении к защищаемому объекту присоединяется дополнительная система или масса (использование виброгасящих оснований (фундаментов) и динамических вибро­гасителей). При демпфировании уменьшение вибрации достига­ется за счет: увеличения внутреннего трения конструкционных материалов; нанесения на колеблющиеся поверхности слоя упруго вязких материалов, обладающих боль­шими потерями на внутреннее трение; применения поверхностного трения, увеличе­ния сил вязкости, связанного с использованием смазочных масел и т.п.

Одним из наиболее распространенных методов, предупреждающих передачу вибрации при работе быстроходных машин, ручного механизированного инструмента является виброизоляция. Под виброизоляцией понимается метод вибрационной за­щиты посредством устройств, помещаемых между источником возбуждения и защи­щаемым объектом. Она заключается в создании упругой связи, которая осуществля­ется установкой виброизоляторов (резиновых, пружинных, пневматических и т.п.) ме­жду источниками возбуждения (колебаний) и защищаемым объектом (поддерживаю­щая конструкция, оператор и т.п.).

Использование виброизоляторов без предварительного расчета может привести к резонансным явлениям, когда собственная частота колебаний системы (источника воз­буждения) на виброизоляторах совпадает с частотой вынужденных колебаний. При этом виброизоляторы не только не уменьшат значений динамических сил, передавае­мых на защищаемый объект, но, наоборот, увеличат эти значения.

Качество виброизоляции оценивается коэффициентом передачи при виброизоляции , предсталяю­щим собой отношение амплитуды виброперемещения S_о (виброскорости V_о , виброу­скорения а_о защищаемого объекта или действующей на него силы F_пер ) к амплитуде той же величины источника возбуждения при гармонической вибрации, т.е.

  S_o  S ^–1 = V_o  V ^–1 = a_o  a ^–1 = F_пер  F ^–1 =  f_в  f_o ^1 ²  1 ^1 (1.8)

где F – вынуждающая сила; f_в – частота вынуждающей силы; f_о – частота собственных колебаний системы (машины, агрегата и т.п.) на виброизоляторах. Последняя определяется по формуле

f_o = 5 x_ст^{ 0,5}, (1.9)

где x_ст – статическое смещение (осадка) источника колебаний (виброизолируемой машины) на виброизоляторах под действием силы тяжести его, см.

Зависимость коэффициента передачи при виброизоляции  от частоты вынуждающей силы приведена на рис. 1.1, из которого видно, что виброизоляторы уменьшают передачу вибрации (  лишь при f_в  f_o. При f_в  f_o виброизоляторы или полностью передают вибрацию защищаемому объекту ( = 1)или даже усиливают их (). Для уменьшения коэффициента передачи при заданной частоте вынуждающей силы f_в

Рис. 1.1. Зависимость коэффициента передачи при виброизоляции от частоты вынуждающей силы: 1 – без учета затухания (трения в виброизолято- рах); 2 – с учетом зату- хания

необходимо уменьшать частоту собственных колебаний системы на виброизоляторах f_о, что достигается либо увеличением массы системы, либо уменьшением жесткости виброизоляторов.

Снижение передачи вибрации на защищаемый объект может быть также охарак­теризовано логарифмической величиной виброизоляции L в децибелах, определяемой по формуле

L = 20  (lq ) ^1 (1.10)