Способы защиты от вибрации и профилактика вибрационной болезни

Воздействие вибрации на организм человека

При изучении действия вибрации на организм человека нужно учитывать, что колебательные процессы присущи живому организму прежде всего потому, что они в нем постоянно протекают. Внутренние органы можно рассматривать как колебательные системы с упругими связями. Их собственные частоты лежат в диапазоне 3–6 Гц. При воздействии на человека внешних колебаний таких частот происходит возникновение резонансных явлений во внутренних органах, способных вызвать травмы, разрыв артерий, летальный исход. Собственные частоты колебаний тела в положении лежа составляют 3–6 Гц, стоя — 5–12 Гц, грудной клетки — 5– 8 Гц. Воздействие на человека вибраций таких частот угнетает центральную нервную систему, вызывая чувство тревоги и страха.

Воздействие производственной вибрации на человека вызывает изменения как физиологического, так и функционального состояния организма человека. Изменения в функциональном состоянии организма проявляются в повышении утомляемости, увеличении времени двигательной и зрительной реакции, нарушении вестибулярных реакций и координации движений. Все это ведет к снижению производительности труда. Изменения в физиологическом состоянии организма — в развитии нервных заболеваний, нарушении функций сердечно-сосудистой системы, нарушении функций опорно-двигательного аппарата, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций органов внутренней секреции. Все это приводит к возникновению вибрационной болезни.

В последнее время принято различать три формы вибрационной болезни: периферическую — возникающую от воздействия вибрации на руки (спазмы периферических сосудов, приступы побеления пальцев рук на холоде, ослабление подвижности и боль в руках в покое и ночное время, потеря чувствительности пальцев, гипертрофия мышц); церебральную — от преимущественного воздействия вибрации на весь организм человека (общемозговые сосудистые нарушения и поражение головного мозга); смешанную — при совместном воздействии общей и локальной вибрации.

Вредность вибрации усугубляется одновременным воздействием на работающих пониженной температуры воздуха рабочей зоны, повышенного уровня шума, охлаждения рук рабочего при работе с ручными машинами, запыленности воздуха, неудобной позы и др.

Гигиеническое нормирование вибрации

Основу гигиенического нормирования вибрации составляют критерии здоровья человека при воздействии на него вибрации с учетом напряженности и тяжести труда. Основная цель нормирования вибрации на рабочих местах — это установление допустимых значений характеристик вибрации, которые при ежедневном систематическом воздействии в течение всего рабочего дня и многих лет не могут вызвать существенных заболеваний организма человека и не мешают его нормальной трудовой деятельности.

Основным документом, регламентирующим уровень вибрации на рабочих местах, является СН 2.2.4/2.1.8.566-96 “Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий”. В этом документе приведены предельно допустимые значения колебательной скорости, колебательного ускорения и их уровней в октавных и третьоктавных полосах частот для локальной и общей вибрации в зависимости от источника возникновения, направления действия.

Способы защиты от вибрации и профилактика вибрационной болезни

К способам борьбы с вибрацией относятся снижение вибрации в источнике (улучшение конструкции машин, статическая и динамическая балансировка вращающихся частей машин), виброгашение (увеличение эффективной массы путем присоединения машины к фундаменту), виброизоляция (применение виброизоляторов пружинных, гидравлических, пневматических, резиновых и др.) вибродемпфирование (применение материалов с большим внутренним трением), применение индивидуальных средств защиты (виброзащитные обувь, перчатки со специальными упруго-демпфирующими элементами, поглощающими вибрацию).

Вибрация представляет собой механические колебания, простейшим видом которых являются гармонические колебания. Вибрация возникает при работе машин и механизмов, имеющих неуравновешенные и несбалансированные вращающиеся органы или органы с движениями возвратно-поступательного и ударного характера.

Рис. 1. Схема простейшей колебательной системы

К такому оборудованию относятся металлообрабатывающие станки, ковочные и штамповочные молоты, электро- и пневмоперфораторы, механизированный инструмент, а также приводы, вентиляторы, насосные установки, поршневые и центробежные компрессоры и др.
Вибрацию применяют при уплотнении бетонных смесей, дроблении и сортировке инертных материалов, разгрузке и транспортировании сыпучих материалов и т. д.
При воздействии вибрации на организм человека наблюдается изменение сердечной деятельности, нервной системы, спазм сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению их подвижности. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию — вибрационной болезни. Она выражается в нарушении многих физиологических функций человека. Эффективное лечение возможно только на ранней стадии заболевания. Восстановление нарушенных функций протекает очень медленно. В особи тяжелых случаях в организме наступают необратимые изменения, приводящие к инвалидности.
Любой агрегат можно рассматривать как колебательную систему с шестью степенями свободы. В каждом частном случае работы оборудования реализуются не все шесть степеней свободы, так как отсутствуют силы, дающие перемещения по некоторым направлениям или имеются жесткие связи, ограничивающие движение по этим направлениям:
Простейшей колебательной системой с одной степенью свободы является масса m, укрепленная на пружине (рис. 1). Эта система совершает гармонические или синусоидальные колебания, уравнение которых

где х — смещение массы от положения равновесия, m; A —амплитуда смещения, м; ω — круговая (угловая) частота колебания, рад/с; t— время, с; φ — начальная фаза колебаний, рад.
Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются: амплитуда смещения (наибольшее отклонение точки от положения равновесия) А, м; колебательная скорость v, м/с; ускорение колебаний w, м/с2; период колебаний Т, с; частота колебаний f, Гц. Вибрации несинусоидального характера всегда можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих с помощью разложения в ряд Фурье. Для исследовании вибрации весь диапазон частот вибрации (так же как для шума) разбивается на октавные диапазоны. Среднегеометрические значения частот, на которых исследуют вибрацию, следующие: 2, 4, 8, 16, 31, 50, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц. Учитывая, что абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в широких пределах, на практике пользуются понятиями уровней параметров.
Уровень колебательной скорости

где υ — вибрационная скорость; υ₀ — пороговое значение вибрационной скорости, принятое за начало отсчета (5·10^-8 м/с).
Действие вибраций на организм человека аналогично многократно повторенному сотрясению мозга. Болезненные ощущения от вибрации появляются при ускорениях, составляющих уже 5% от ускорения силы тяжести, т. е. при g=0,05·10=0,5 м/с². Особенно вредны вибрации с частотами, близкими к частотам собственных колебаний организма человека - 6...12 Гц.
Различают общие и местные вибрации. Общие вибрации передаются через опорные поверхности сидящего или стоящего человека и вызывают сотрясения всего организма. Воздействию общей вибрации подвергаются рабочие на участках виброформования, лесопильных рам, операторы мощных моторов. Местная (локальная) вибрация — вибрация отдельных частей тела, происходит при работе с ручным механизированным электрическим или пневматическим инструментом. Возможно действие одновременно общей и местной вибрации. Например, при работе на дорожно-строительных машинах на руки передается вибрация от органов управления, а на все тело — от сиденья машины.
Источники общей вибрации можно разбить на три группы: транспортные, транспортно-технологические и технологические.
Источниками транспортных вибраций служат дорожно-строительные машины — грузовые автомобили, тракторы, снегоочистители и др. Транспортно-технологической вибрации подвергаются машинисты экскаваторов, строительных кранов, бетоноукладчиков и всех видов напольного производственного транспорта. Технологические вибрации создают станки, кузнечно-прессовое оборудование, насосы, вентиляторы, электрические машины, оборудование промышленности строительных материалов.
Нормы на воздействие вибрации содержатся в ГОСТ 12.1.012—78 ССБТ «Вибрация. Общие требования безопасности». Нормированными величинами являются среднеквадратичное значение виброскорости v (м/с) или уровень виброскорости (дБ) в октавных полосах. Так как при вибрации чаще всего имеется и горизонтальная и вертикальная составляющие, то и нормирование осуществляется отдельно по вертикальной и горизонтальной осям (табл. 3).
При расчете строительных конструкций, на которых установлено оборудование, создающее технологическую вибрацию, вместо значений виброскорости можно пользоваться значениями амплитуды виброперемещения для тех же частот:

Существует несколько способов борьбы с вибрацией.
1. Ослабление вибрации в источнике ее возникновения производится за счет уменьшения действующих в системе переменных сил. Такое уменьшение переменных сил возможно при замене динамических процессов статическими, тщательной балансировке вращающихся частей и др.
2. Виброгашение достигается увеличением массы агрегата или повышением жёсткости. Увеличение массы чаще осуществляют путем установки агрегатов на самостоятельные фундаменты или установкой массивных плит между основанием и агрегатом (рис. 4).
Повышение жесткости системы путем введения ребер жесткости также снижает вибрацию.

Таблица 4. Нормированные параметры вибрации

Примечание. В числителе абсолютное значение виброскорости υ, м/с; в знаменателе - уровень виброскорости L_υ, дБ.

3. Вибропоглощение (вибродемпфирование) осуществляется за счет увеличения потерь энергии в системе. Увеличить потери энергии в системе можно применением вязких смазочных материалов, переводом механической колебательной энергии в другие виды энергии, такие, как энергия электромагнитного поля, энергия токов Фуко, тепловая энергия и др.

Рис. 5. Установка оборудования иа отдельный фундамент

Рис. 6. Виброизоляция насосной установки:
1 — насосная установка; 2 — виброизолирующая муфта; 3 — то же, прокладка; 4 — упругие элементы

4. Виброизоляция заключается во введении в колеблющуюся систему дополнительной упругой связи, которая уменьшает долю вибрации, передающейся от агрегата к основанию, смежным конструкциям (рис. 5) или к человеку (рис. 6). Виброизоляция — это единственный способ уменьшить вибрацию, передающуюся на руки от ручного механизированного инструмента (рис. 7). Для снижения вибрации в рукоятку вводится упругий элемент, например нелинейный амортизатор, коэффициент жесткости которого уменьшается по мере увеличения силы нажатия.
Основным показателем, определяющим качество любого вида виброзащиты, является коэффициент эффективности виброзащиты, представляющий отношение значения перемещения (скорости или ускорения) защищаемого объекта До введения виброзащиты к значению этой же величины после ее введения. Коэффициент виброизоляции

где А — амплитуда изолируемой установки; А₀ — амплитуда изолированного основания; значение А₀ не должно превышать нормативных величин; f — частота возмущающей силы; f_c — частота собственных колебаний системы на амортизаторах,

Рис. 7. Вибронзоляция рабочего места оператора:
1 — пульт управления; 2 — кресло оператора; 3 — виброизолятор

Рис. 8. Установка виброизоляторов на виброустановках, удерживаемых руками:
а — вибробулава; б — поверхностный вибратор; 1 — вибронаконечник; 2 — нижняя рукоятка (резиновый шланг); 3 — вибронзоляторы; 4 — верхняя рукоятка; б — рукоятка (трос); 6 — вибратор

где с — жесткость упругих элементов колеблющейся системы; т — масса агрегата, покоящегося на амортизаторах.
Упругие элементы, вводимые в колеблющуюся систему (виброизоляторы, амортизаторы), могут быть пружинные, резиновые и комбинированные (рис. 9).
К средствам индивидуальной защиты от воздействия вибрации относятся рукавицы и перчатки с виброзащитными прокладками, вибродемпфирующие «коврики-маты», обувь с виброзащитной стелькой, изготавливаемой из пластмассы, резины или войлока.
В соответствии с «Руководством по улучшению условий труда рабочих вибро- и шумоопасных профессий на предприятиях стройиндустрии» следует строго соблюдать режим труда и отдыха, чередуя рабочие операции, связанные с воздействием вибрации и без нее (рис. 10).
Для измерения вибрации используют комплект приборов ИШВ-1.

Рис. 9. Виброизоляторы:
а — пружинные; б — резиновые

Рис. 10. Режим труда и отдыха рабочих виброопасных профессий:
а — работающих на машинах и технологическом оборудовании; б — работающих с ручным механизированным инструментом; 45, 50 — продолжительность работы, мин; 10, 15, 20, 30 — то же, отдыха, мин; 1—9 — порядковые часы смены

ащита от вибрации осуществляется прежде всего совершенствованием кинематики механизмов.

Для ограничения распространения вибрации по материалу жестких конструкций рекомендуется применять изолирующие упругие прокладки (резина, войлок) или пружины, на которые опирается вибрирующий механизм или его узел.

В качестве индивидуальной защиты от вибраций, передаваемых человеку через ноги, рекомендуется носить обувь на войлочной или толстой резиновой подошве. Для защиты рук рекомендуется виброгасящие перчатки.