ВИБРАЦИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕКА И МАШИНЫ
Вибрация – это механические колебания тел, которые могут происхо-дить в одной или в нескольких плоскостях одновременно. Виды колебаний по способу их возбуждения подразделяются на:
- свободные колебания – колебания, вызванные отклонением системы из состояния равновесия и протекающие без участия внешнего воздействия;
- вынужденные колебания – колебания, происходящие под действием внешних, периодических сил;
- связанные колебания – свободные или вынужденные колебания, возникающие в сложных системах и характеризующие взаимодействие их отдельных частей (если между ними есть кинематическая связь).
Различают вибрацию общую и локальную (местную).
Общая вибрация, воздействуя на центральную нервную систему, тело в целом и отдельные органы человека, может вызвать в них стойкие и болезненные изменения. Продолжительное действие общей вибрации поражает нервную и сердечно-сосудистую системы, желудочно-кишечный тракт, опорно-двигательный аппарат, работающие начинают ощущать боли в желудке, нижней части живота, в области поясницы и грудной клетки. У лиц, длительно связанных с виброопасными работами без эффективных мер защиты, может развиться виброболезнь – опасное неизлечимое заболевание, которое сопровождается изменением в кровеносных сосудах верхних конечностей; снижением артериального давления, нарушением кровоснабжения внутренних органов, уменьшением частоты сердечных сокращений. Особенно опасны общие вибрации с частой 3 – 30 Гц, в этом диапазоне лежат собственные частоты колебаний внутренних органов, головы, конечностей человека. При совпадении их частоты с частотой возмущающей силы колебания происходят в резонансном режиме. Такие частоты называют резонансными.
При длительном воздействии локальной вибрации наблюдается онемение пальцев, заболевание суставов и неврозы рук.
По направлению действияболее вредной считается вибрация вдоль оси тела, чем перпендикулярная к ней. Вибрация, передаваемая элементами машин, конструкций и опор, является до 80% причиной аварий в машиностроении. Она вызывает дополнительные напряжения в несущих конструкциях оборудования, в трубопроводах и фундаментах, ослабляя сварные и болтовые соединения, снижая срок службы конструкций и оборудования, приводя к их отказу и внезапным разрушениям.
Основные параметры вибрации
Вибрация характеризуется частотой f (Гц), смещением (амплитудой)
А (мkм), виброскоростью V (мм/с) и виброускорением а (мм/с2).
В случае, когда колебания по характеру близки к синусоидальным, названные параметры связаны следующей зависимостью:
V =2 πf · A = A·ω, (1)
где ω = 2πf – круговая частота, рад/с.
Зачастую производственная вибрация – сложенные колебания, состоящие из ряда простых колебаний различной амплитуды и частоты. Поэтому ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ «Вибрационная безопасность. Общие требования» оценивает вибрацию по интегральной характеристике – корректировочному значению контролируемого параметра вибрации V, измеряемому с помощью специальных фильтров.
Принципы нормирования производственной вибрации
Согласно ГОСТ 12.1.012-90 вибрация нормируется в зависимости от следующих факторов:
- способа передачи ее на человека;
- направления действия;
- источника возникновения.
По способу передачи на человека вибрация подразделяется на:
- общую, передающуюся через опорныеповерхности сидящего или стоящего человека;
- локальную (местную), передающуюся через части тела человека (руки, ноги).
По направлению действия вибрацию подразделяют в соответствии с направлением осей ортогональной системы координат рис.1:
- действующую вдоль осей ортогональной системы координат X, Y, Z (для общей вибрации) рис.1а, где Z0 – вертикальная ось, a X0,Y0 – горизонтальные оси;
- действующую вдоль осей ортогональной системы координат Хл, Yл,Zл ( для локальнойвибрации), где ось Хл совпадает с осью мест охвата источника вибрации, а ось Zл лежит в плоскости, образованной осью Хл и направлением приложения силы или осью предплечья.
По источнику возникновения вибраций различают:
- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (с двигателями);
- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (без двигателей);
Общая вибрация
Положение стоя Положение сидя
а)
Локальная вибрация
При охвате цилиндрических, торцовых и близких к ним поверхностей
При охвате сферических поверхностей
б)
Рис. 1. Направление координатных осей при действии вибрации
- общую вибрацию 1-й категории – транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средств, при их движении по местности;
- общую вибрацию 2-й категории – транспортно-технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок;
- общую вибрацию 3-й категории – технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.
Общую вибрацию 3-й категории по месту действия подразделяют на следующие типы:
а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;
б) на рабочих местах, на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;
в) на рабочих местах в помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда;
- общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внешних источников: городского рельсового транспорта и автотранспорта, промышленных предприятий и т.д.;
- общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внутренних источников: инженерно-технического оборудования зданий и
бытовых приборов, а также встроенных предприятий торговли, предприятий коммунально-бытового обслуживания, котельных и т.д.
Гигиеническаяоценка вибрации на производстве производится одним из следующих методов:
- частотным (спектральным) анализом нормируемого параметра;
- интегральной оценкой по частоте нормируемого параметра;
- дозой вибрации.
По частотному составу вибрации подразделяют на:
- низкочастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 1 – 4 Гц для общих вибраций и 8 – 16 Гц для локальных вибраций);
- среднечастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 8 – 16 Гц для общих вибраций и 31,5 – 63 Гц для локальных вибраций);
- высокочастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 31,5 – 63 Гц для общих вибраций и 125 –
1000 Гц для локальных вибраций).
Интегральная оценка ведется по логарифмическому уровню виброскорости Lv в дБ, определяемому по формуле:
Lv = 201g 
; (2)
где v – измеренное значение виброскорости, мм/с;
v 0 = 5·10–5 – опорное значение виброскорости, мм/с.
По временным характеристикам вибрации подразделяют на:
- постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в два раза (на 6 дБ) за время наблюдения;
- непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не менее чем в два раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 минут при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:
а) вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;
б) прерывистые вибрации, когда воздействие вибрации на человека прерывается во времени, но длительность воздействия вибрации составляет более 1 с;
в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких вибрационных воздействий, каждый длительностью менее 1 с.
На практике чаще приходится иметь дело со сложными вибрациями: несколькими простыми колебаниями различной амплитуды и частоты. Поэтому нормирование вибрации производят не по отдельным частотам, а по группам частот, называемых октавами.
Октавы – это любой диапазон частот, верхняя граница которого fB
в 2 раза превышает нижнюю границу fH. Каждая октава характеризуется своей средней геометрической частотой:
fcp = 
. (3)
Нормирование вибрации производят в диапазоне от 1,4 до 2000 Гц. Этот диапазон разбит на 11 октав со средними геометрическими частотами: 2; 4; 8; 16; 32; 64; 125; 250; 500; 1000; 2000 Гц. «Санитарными нормами проектирование промышленных предприятий» (СН 245-71) для каждой октавной полосы установлены свои предельно допустимые значения виброскорости в абсолютных величинах (Приложение) и ее уровни вдБ.
Гашение колебаний предусматривает увеличение инерционного и упругого сопротивления колебательных систем, либо введение в механизмы специальных устройств – динамических гасителей.
В теории и практике виброзащиты различают две основные задачи: защита основания от вибрирующего механизма и защиты механизма от вибрирующего основания. Под основанием здесь понимают фундамент или корпус механизма. В обоих случаях задача решается методом виброизоляции. Между основанием и механизмом устанавливают виброизолирующее устройство – амортизаторы, которые устраняют жесткую связь механизма с основанием.
Борьба с вредным действием колебаний и вибраций ведется в трех направлениях:
1. Источник колебательного возбуждения.
2. Объект – машины, сооружения или транспортные средства.
3. Человек.
Когда человек непосредственно активно участвует в том или ином
процессе, должна учитываться механическая связь человека с вибрирующим объектом, так как человек включается в общую систему «человек-машина».
При пассивной или активной роли человека необходимо установить допустимый для человека уровень вибрации.
Виброзащита объекта осуществляется различными методами:
а) изменением конструкции, способствующим меньшему влиянию внешнего периодического воздействия, в частности, смещением основных собственных частот конструкции, при которых возможно возникновение резонанса из-за совпадения с частотой вынуждающей силы или из-за близости к ней, увеличением жесткости системы и т.п.;
б) динамическим гашением вибрации – присоединением к объекту виброзащиты упруго подвешенного тела – динамического гасителя, на которое «перекладывается» вибрация основного объекта, успокаиваемая таким путем;
в) динамическим поглощением – демпфированием, достигаемым как за счет внутреннего поглощения энергии в материале и конструкции, так и при помощи присоединении искусственных демпферов;
г) виброизоляцией, ослабляющей взаимосвязь источника возбуждения и объекта.
Метод виброизоляции реализуется различными способами, в том числе введением упругих элементов (стальные пружины, рессоры, резиновые прокладки и др.) между источником вибрации и защищаемым объектом, фундаментом.
На рис. 2 представлена схема виброизоляции машины 1, массой m, установленной на амортизаторы (пружины) 2 с жесткостью К, пружины деформируются под действием динамической силы Р (основание 3 принимаем абсолютно жестким), которая равна:
P = P0 · sin ωt, (4)
где P0 = m·g; ω = 2πf; f = n /60 – частота возмущающей силы; t – время;
n – частота вращения.
ω 1
 |  | |  | ||||||||
 | |||||||||||
 | |||||||||||
 | |||||||||||
Рис. 2. Схема виброизоляции машины
Деформация пружин под действием динамической силы Р составляет величину X, а в пружинах возникают силы упругости, равные К·Х. Эффективность виброизоляции тем выше, чем меньше силы упругости, то есть чем мягче пружины или прокладки. Однако агрегат, установленный на слишком мягкие виброизоляторы становится неустойчивым.
Таким образом, задача заключается в выборе достаточно эффективных виброизоляторов, обеспечивающих определенную горизонтальную устойчивость агрегата.
Показателем эффективности виброизолятора является коэффициент передачи μ, равный отношению передаваемой и возмущающей сил.
Коэффициент передачи определяется по формуле:
μ = 1 / (1 – (
)2), (5)
где f = n / 60 – частота возмущающей силы агрегата, Гц;
f0 = 1 / 2 π 
– частота собственных колебании агрегата, установленного на виброизоляторы, Гц.
Чем больше отношение (в определенном диапазоне от 1,4 до 5÷6), тем больше энергии поглощают амортизаторы. Так, при соотношениях равных 2,5; 3; 4; 5 (рис. 3), амортизаторы поглощают соответственно 81%, 87,5%, 93%, 96% энергии вибрации.
μ
1
3
2
2
3
1
|  | ||||
 | |||||
1 2 3
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи
от отношения частот:
1 – при малом затухании системы;
2 – при большом затухании;
3 – зона виброизоляции
При f=f0 происходит явление резонанса с резким увеличением величины динамической силы, передаваемой на основание, то есть применение виброизоляторов в этом случае оказывается не только бесполезным, но и вредным.
Располагают изоляторы в плане симметрично относительно центра тяжести агрегата.
Наконец, по способу ввода в действие методы и средства виброзащиты делятся на пассивные и активные. Перечисленные выше методы в том виде как они сформулированы, являются пассивными.
Динамическое гашение нередко сочетается с активным воздействием и управлением.
К активным методам относится искусственное возбуждение вибрации, действующей в направлении, противоположном основной вибрации в конструкции, и таким образом противодействующей ей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое вибрация?
2. Виды вибрации и ее влияние на человека.
3. Параметры вибрации и принципы их нормирования.
4. Какова классификация общей вибрации по источнику
возникновения?
5. Методы гигиенической оценки вибрации на производстве.
6. Каким документом нормируются допустимые параметры
вибрации?
7. Каковы основные пути защиты от вибрации?
8. Как оценивается качество виброизоляции?
9. Принцип работы виброизмерительного прибора ВИП-2.
10. Каков порядок выполнения экспериментальной части лабора-торной работы?
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рис. 4) состоит из вибростенда 1, основной платформы 2, на которой закреплены вибропреобразователь 3 виброизмерительного прибора 7 (ВИП – 2) и дополнительная платформа 4
(массой 15 кг), которая соединена с основной через амортизатор 5.
Вибропреобразователь 6 виброизмерительного прибора 7 закреплен на дополнительной платформе 4. Для измерения величин амплитуды и частоты вибраций на вибростенде 1 имеется регулятор 8. На лицевой панели вибростенда 1 находится индикатор частоты вибраций 9.
включение и выключение вибростенда осуществляется переключателем 10.
Рис. 4. Лабораторная установка
Работа с прибором ВИП – 2
В начале работы переключатель «Род работы » установить в положение «Контроль питания ». Стрелка прибора должна находиться между отметками 7 и 10 шкалы индикатора прибора, что свидетельствует о нормальной величине напряжения питания. Если стрелка прибора устанав-ливается левее отметки 7, то прибор неисправен. Переключатель
«Пределы измерения » установить в положение (100/1000).
Прибор имеет две шкалы измерения:
- верхняя от 0 до 10;
- нижняя от 0 до 3, а также 5 пределов измерения: 1/10; 3/30; 10/100; 30/300; 100/1000.
При работе на пределах измерения 1/10; 10/100; 100/1000 следует пользоваться верхней шкалой прибора от 0 до 10. При этом числитель дроби соответствует значению виброскорости, а знаменатель – размаху колебаний в зависимости от положения переключателя «Род работы ».
При работе на пределах измерения 3/30; 30/300 следует пользовать-ся нижней шкалой прибора от 0 до 3. При этом аналогично, числитель дроби соответствует значению виброскорости, а знаменатель – размаху колебаний в зависимости от положения переключателя «Род работы».
При измерении скорости вибрации переключатель «Род работы» установить в положение «мм/с», а переключателем «Пределы измерения», имеющим 5 положений 1/10; 3/30; 10/100; 30/300; 100/1000 выбрать необ-ходимый предел измерения так, чтобы стрелка прибора находилась в пре-делах шкалы индикатора. После этого произвести считывание показаний стрелочного индикатора. Например, при положении переключателя
«Пределы измерений» на отметке 30/300 отклонение стрелки индикатора на всю длину шкалы соответствует виброскорости – 30 мм/с.
Размах вибросмещения определяют по положению стрелки индика-тора и значению предела измерений, устанавливаемого переключателем.
Например, при положении переключателя «Пределы измерений» на
отметке 10/100 полное отклонение стрелки соответствует величине размаха вибросмещения в 100 мkм (1мkм = 10−6 м).