Обеспечение безопасности жизни

Вопрос № 61 Вибрация:физиологическое воздействие,допустимые уровни ,способы защиты.

Все действия человека и  все компоненты среды обитания, прежде всего технические средства, кроме  позитивных свойств и результатов, обладают способностью генерировать травмирующие и вредные факторы. При этом любое новое позитивное действие или результат сопровождается возникновением новых негативных факторов.

Так, на ранних стадиях  своего развития, даже при отсутствии техники, человек непрерывно испытывал  воздействие негативных факторов естественного происхождения: пониженных и повышенных температур воздуха, атмосферных осадков, контактов с дикими животными, стихийных явлений и т. п. В условиях современного мира к естественным прибавились многочисленные факторы техногенного происхождения: вибрации, шум, повышенная концентрация токсичных веществ в воздухе, водоемах, почве; электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

Значительным техногенным  опасностям подвергается человек при  попадании в зону действия технических  систем: транспортные магистрали, зоны излучения радио- и телепередающих систем, промышленные зоны и т. п. Уровни опасного воздействия на человека в этом случае определяются характеристиками технических систем и длительностью пребывания человека в опасной зоне. Вероятно проявление опасности и при использовании человеком технических устройств на производстве и в быту: электроприборы, станки, инструмент, газ, оружие и т. п. Возникновение таких опасностей связано с наличием неисправностей в технических устройствах и с их неправильным использованием.

В настоящее время  перечень реально действующих негативных факторов значителен и насчитывает  более 100 видов. К наиболее распространенным относятся вредные производственные факторы: запыленность и загазованность воздуха, шум, вибрации, электромагнитные поля, ионизирующие излучения, параметры атмосферного воздуха (температуры, влажности, подвижности воздуха, давления), недостаточное и неправильное освещение, монотонность деятельности, тяжелый физический труд и др.

Даже в быту нас сопровождает большая гамма негативных факторов. К ним относятся: загрязненный воздух, вода, некачественная пища, шум, инфразвук, вибрации, электромагнитные поля от бытовых приборов, телевизоров, дисплеев, радиорелейных устройств; ионизирующие излучения, медикаменты при избыточном и неправильном потреблении; алкоголь, табачный дым, бактерии, аллергены и др.

Вибрации

Малые механические колебания, возникающие в упругих телах  или телах, находящихся под воздействием переменного физического поля, называются вибрацией.

Воздействие вибрации на человека классифицируют:

• по способу передачи колебаний;
• по направлению действия вибрации;
• по временной характеристике вибрации.

В зависимости от способа  передачи колебаний человеку вибрацию подразделяют:

• на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека
• и локальную, передающуюся через руки человека. Вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека, на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, также относится к локальной.

По направлению действия вибрацию подразделяют:

• на вертикальную, распространяющуюся по оси X, перпендикулярной к опорной поверхности;
• горизонтальную, распространяющуюся по оси Y, от спины к груди;
• горизонтальную, распространяющуюся по оси Z, от пра правого плеча к левому плечу.

По временной характеристике различают:

• постоянную вибрацию, для которой контролируемый параметр за время наблюдения изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ);
• непостоянную вибрацию, изменяющуюся по контролируемым параметрам более чем в 2 раза.

Вибрация относится  к факторам, обладающим высокой биологической  активностью. Выраженность ответных реакций  обусловливается главным образом  силой энергетического воздействия  и биомеханическими свойствами человеческого  тела как сложной колебательной системы. Мощность колебательного процесса в зоне контакта и время этого контакта являются главными параметрами, определяющими развитие вибрационных патологий, структура которых зависит от частоты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий.

Между ответными реакциями  организма и уровнем воздействующей вибрации нет линейной зависимости. Причину этого явления видят в резонансном эффекте. При повышении частот колебаний более 0,7 Гц возможны резонансные колебания в органах человека. Резонанс человеческого тела наступает под действием внешних сил при совпадении собственных частот колебаний внутренних органов с частотами внешних сил. Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях, располагается в зоне между 20…30 Гц, при горизонтальных – 1,5…2 Гц.

Особое значение резонанс приобретает по отношению к органу зрения. Расстройство зрительного восприятия проявляется в частотном диапазоне между 60 и 90 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок. Для органов, расположенных в грудной клетке и брюшной полости, резонансными являются частоты 3…3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резонанс наступает на частотах 4…6 Гц.

Вибрационная патология  стоит на втором месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний. Рассматривая нарушения состояния  здоровья при вибрационном воздействии, следует отметить, что частота  заболеваний определяется величиной дозы. Выделяют три вида вибрационной патологии от воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.

При действии на организм общей вибрации страдает в первую очередь нервная система и  анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Вибрация является специфическим раздражителем для вестибулярного анализатора.

У рабочих вибрационных профессий отмечены головокружения, расстройство координации движений, симптомы укачивания, вестибуловегетативная  неустойчивость. Нарушение зрительной функции проявляется сужением и выпадением отдельных участков полей зрения, снижением остроты зрения, иногда до 40 %.

Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных  тканей с последующими реактивными  изменениями. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные процессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холестеринового обменов, биохимических показателей крови.

Вибрационная болезнь  от воздействия общей вибрации и  толчков возникает у водителей  транспорта и операторов транспортно-технологических машин, на заводах железобетонных изделий. Для водителей машин, трактористов, бульдозеристов и т. д. подвергающихся воздействию низкочастотной и толчкообразной вибраций, характерны изменения в пояснично-крестцовом отделе позвоночника.

Рабочие часто жалуются на боли в пояснице, конечностях, в  области желудка, на отсутствие аппетита, бессонницу, раздражительность, быструю  утомляемость. В целом картина  воздействия общей низко- и среднечастотной  вибрации выражается общими вегетативными расстройствами с периферическими нарушениями, преимущественно в конечностях, снижением сосудистого тонуса и чувствительности.

Бич современного производства, особенно машиностроения – локальная вибрация. Локальной вибрации подвергаются главным образом люди, работающие с ручным механизированным инструментом. Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов кисти, предплечий, нарушая снабжение конечностей кровью. Одновременно колебания действуют на нервные окончания, мышечные и костные ткани, вызывают снижение кожной чувствительности, отложение солей в суставах пальцев, деформируя и уменьшая подвижность суставов. Колебания низких частот вызывают резкое снижение тонуса капилляров, а высоких частот – спазм сосудов.

Сроки развития периферических расстройств зависят не столько от уровня, сколько от дозы (эквивалентного уровня) вибрации в течение рабочей смены. Преимущественное значение имеет время непрерывного контакта с вибрацией и суммарное время воздействия вибрации за смену. У формовщиков, бурильщиков, заточников, рихтовщиков при среднечастотном спектре вибраций заболевание развивается через 8…10 лет работы. Обслуживание инструмента ударного действия (клепка, обрубка), генерирующим вибрацию среднечастотного диапазона (30…125 Гц), приводит к развитию сосудистых, нервно-мышечных, костно-суставных и других нарушений через 12… 15 лет.

При локальном воздействии низкочастотной вибрации, особенно при значительном физическом напряжении рабочие жалуются на ноющие, ломящие, тянущие боли в  верхних конечностях, часто по ночам. Одним из постоянных симптомов локального и общего воздействия является расстройство чувствительности. Наиболее резко страдает вибрационная, болевая и температурная чувствительность.

К факторам производственной среды, усугубляющим вредное воздействие вибраций на организм, относятся чрезмерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклиматические условия, особенно пониженная температура, шум высокой интенсивности. Охлаждение и смачивание рук значительно повышают риск развития вибрационной болезни за счет усиления сосудистых реакций. При совместном действии шума и вибрации наблюдается взаимное усиление эффекта в результате его суммации, а возможно, и потенцирования.

Усугубляющее влияние сопутствующих  факторов учитывается при расчете  показателей вероятности вибрационной болезни.

Длительное систематическое  воздействие вибрации приводит к  развитию вибрационной болезни, которая  включена в список профессиональных заболеваний. Эта болезнь диагностируется, как правило, у работающих на производстве. Лица, подвергающиеся воздействию вибрации окружающей среды, чаще болеют сердечно-сосудистыми и нервными заболеваниями. Это заболевание является профессиональным. Гигиеническое нормирование вибраций регламентируют документы «Вибрационная безопасность», «Производственные вибрации».

Гигиеническое нормирование вибраций регламентирует параметры  производственной вибрации и правила  работы с виброопасными механизмами. Документы устанавливают: классификацию  вибраций, методы гигиенической оценки, нормируемые параметры и их допустимые значения, режимы труда лиц виброопасных профессий, подвергающихся воздействию локальной вибрации, требования к обеспечению вибробезопасности и к вибрационным характеристикам машин.

При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости или виброускорения.

Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости V₁ (м/с) от времени фактического воздействия вибрации, не превышающего 480 мин, определяется по формуле:

где V₄₈₀ – допустимое значение виброскорости для длительности воздействия 480 мин.

Максимальное значение V_т для локальной вибрации не должно превышать значений, определяемых для T = 30 мин, а для общей вибрации при Т = 10 мин.

За нулевой уровень виброскорости  принята величина 5 * 10^-8 м/с, виброускорения – 3 * 10^-4 м/с², рассчитанные по порогу чувствительности организма человека.

При регулярных перерывах воздействия  локальной вибрации в течение  рабочей смены допустимые значения уровня виброскорости следует увеличивать  назначения, приведенные ниже.

Допустимые уровни вибрации в жилых домах, условия и правила  их измерения и оценки регламентируются санитарными нормами. Основными  нормируемыми параметрами вибрации являются средние квадратичные величины уровней виброскорости и виброускорения в октавных полосах частот.

Воздействие вибраций на организм человека

Колебания – многократное повторение одинаковых или почти одинаковых процессов, (сопутствуют многим природным явлениям и явлениям, вызванным человеческой деятельностью, от простейших колебаний маятника до электромагнитных колебаний распространяющейся световой волны).

Механические колебания – периодически повторяющиеся движения, вращательные или возвратно-поступательные.

Вибрация – это малые механические колебания, возникающие в упругих телах под воздействием переменных сил.

Так, электродвигатель передает на фундамент  вибрацию, вызываемую неуравновешенным ротором. Идеально уравновесить элементы механизмов практически невозможно, поэтому в механизмах с вращающимися частями почти всегда возникает вибрация. Резонансная вибрация вагона возникает в результате близости частоты силы воздействия на стыках рельсов к собственной частоте вагона. Вибрация по земле распространяется в виде упругих волн и вызывает колебания зданий и сооружений.

Вибрация машин может приводить  к нарушению функционирования техники  и вызывать аварии. Установлено, что  вибрация является причиной 75 % аварий в машинах. Она приводит к накоплению усталостных эффектов в металлах, появлению трещин.

При воздействии вибрации на человека наиболее существенно то, что тело человека можно представить  в виде сложной динамической системы. Многочисленные исследования показали, что эта динамическая система  меняется в зависимости от позы человека, его состояния (расслабленное или напряженное) и др. И если внешние силы воздействуют на человека с частотами, близкими или равными резонансным, то резко возрастает амплитуда колебаний как всего тела, так и отдельных его органов.

Для человека резонанс наступает:

• В положении сидя при частоте 4 – 6 Гц
• Для головы – 20 – 30 Гц
• Для глазных яблок – 60 – 90 Гц

При этих частотах интенсивная  вибрация может привести к травмам  позвоночника и костной ткани, расстройству зрения, у женщин – вызвать преждевременные роды.

Колебания вызывают в  тканях органов переменные механические напряжения. Информация о действующей  вибрации воспринимается вестибулярным  аппаратом.

Вестибулярный аппарат  располагается в височной части  черепа и состоит из преддверия и полукружных каналов. Вестибулярный аппарат обеспечивает анализ положений и перемещений головы в пространстве, тонус мышц и поддержание равновесия тела. При широком спектре вибраций вестибулярный аппарат может передавать ложную информацию, т. к. не приспособился в ходе эволюции к функционированию в условиях высокочастотных колебаний.

По способу передачи на человека вибрация подразделяется на:

1. Общую – передается через опорные поверхности на тело человека в положении сидя или стоя.

2. Локальную – передается через руки.

В зависимости от степени  воздействия на организм человека выделяют 4 стадии развития вибрационной болезни:

На первой стадии симптомы незначительные: боль в руках, спазмы капилляров, боли в мышцах плечевого  пояса.

На второй стадии усиливаются боли в руках, происходит расстройство чувствительности, понижается температура, синеет кожа кистей рук.

При условии исключения влияния вибрации на человека на первой и второй стадии лечение эффективно и изменения обратимы.

Третья четвертая стадии характеризуются интенсивными болями в руках, резким снижением температуры кистей рук. Происходят изменения в нервной и эндокринной системах, а также сосудистые изменения.

Больные страдают головокружением, головными и за грудными болями. Изменения имеют стойкий характер, необратимы.

Виброзащита человека представляет собой сложную проблему биомеханики. При разработке методов виброзащиты  необходимо учитывать эмоциональное  состояние человека, напряженность  работы и степень его утомления.

          Выпускаемая в настоящее время измерительная аппаратура основана на использовании электрических методов, обеспечивающих высокую точность преобразования механических колебаний в электрические с помощью магнитно-электрических и пьезо-электрических датчиков (приемников вибрации: сигнал усиливается, преобразуется (интегрируется, дифференцируется) и подается на регистрирующий прибор).

           Приборы подразделяют на: оптические, механические, электрические.

Измерение параметров вибрации должно производится в соответствий с установленными стандартами требований к измерительным приборам, датчикам.

           Для измерения вибрации используют  приборы: виброметры ВМ-1, ВИП-2, ИШВ-1 измеритель шума и вибраций (1-3000 Гц), 00042 ( Роботрон ГДР), 3513, 2512, 2513 ( Брюль  и Кери- Дания), ВИП-4(15-200 Гц), ЭДИВ (электродистанционный прибор), аппаратура контрольно-измерительная типа ВВК-003, ВВК-005, измерители шума ВШВ-003 и др.

           Аппаратура для измерения параметров  вибраций должна соответствовать  ГОСТ 12.4.012-83 «Вибрация». Средства измерения и контроля вибрации на рабочих местах. Технические требования”. Замеры вибрации проводят в наиболее виброопасных точках согласно методике исследований ДСН 3.3.6.039-99

           При измерении локальной вибрации  замеры производят у места  контакта оператора с поверхностью, которая вибрирует.

           При измерении общей вибраций  точка измерения должна находится  в местах контакта опорной  поверхности тело человека с  вибрирующей поверхностью: сидение  оператора; пол рабочей зоны.

          Измерения постоянной вибрации на протяжении рабочей смены проводится не менее 3-х раз с нахождением средне логарифмического значения.

          Общая вибрация нормируется по следующим октавным полосам частот: 1, 2, 3, 8, 16, 31, 50, 63; локальная: 8, 16, 31, 50, 63…1000 Гц.

          Общая вибрация, воздействующая на человека, нормируется отдельно в каждой октавной полосе по вертикальному направлению (оси Z) или горизонтальному направлению (оси Х, У). Выбор нормирования определяется в зависимости от интенсивности: по более интенсивному направлению.

          Гигиенические нормы технологической вибрации, воздействующей на операторов стационарных машин в течение 480мин(8 часов), приведены в ГОСТ 12.1.012-90, ДСН 3.3.6.-039-99 (Табл.1).  

Таблица

Предельно допустимые уровни локальной вибрации

Предельно допустимые параметры  импульсной локальной вибрации

* - Вибрационные импульсы 1-30   имеют место при применении немеханизированного инструмента, 31-1000   - на механизированном инструменте.

** - Значение отвечает  максимально возможному количеству  импульсов за восьмичасовую смену  при частоте 5,6 Гц. В скобках  допустимое количество импульсов за 1 час.

При продолжительности  смены 7 часов предельно допустимые скорректированные эквивалентные  уровни локальной вибраций равны  значениям для 8-часовой продолжительности  смены.

При 6-ти часовой продолжительности  эти показатели равны для виброскорости 113 дБ (  м/с), а виброускорение -78дБ (2,3 м/с2).

Работа в условиях действий локальной вибрации, которая  превышает предельно допустимую норму более чем на 1 дБ, запрещена.

Основные меры защиты механизмов от вибраций

Виброизоляция – защита от распространения вибраций, возникающих  вследствие работы механизмов, движения транспорта и т. д. Для осуществления виброизоляции применяются амортизаторы из упругих материалов. Например, автомобильные и вагонные рессоры.

Виброактивные агрегаты устанавливаются на виброизоляторах  – пружинах, упругих прокладках, пневматических или гидравлических устройствах, защищающих фундамент  от воздействия вибрации.

Санитарные нормы регламентируют предельно допустимые уровни вибрации и лечебно-профилактические мероприятия.

Однако следует отметить, что вибрация в определенных количествах  оказывает положительное влияние  на организм человека. Вибрация способна увеличивать активность жизненных процессов в организме и наоборот.

          Средства защиты от вибраций  подразделяются на: коллективные  и индивидуальные.

          К техническим мероприятиям относятся: устранение вибраций в источнике и на пути их распространения. Устранение или уменьшение вибрации в источнике решается, начиная со стадии проектирования и изготовления машин. Закладываются в их конструкцию решения, обеспечивающие вибробезопасные условия труда: замену ударных процессов на безударные, применение деталей из пластмассы, ременных передач вместо цепных, шестерен с глобоидальным и шевронным зацеплением вместо прямозубых, выбор оптимальных рабочих режимов, тщательная балансировка вращающихся деталей, повышение класса точности их изготовления и чистоты обработки поверхности и другое.

           При эксплуатации техники уменьшенные  вибрации достигается современной  подтяжкой креплений, устранением  люфтов, зазоров, качественной смазкой  трущихся поверхностей, правильной  регулировкой рабочих органов.

           В конструкциях, по которым происходит распространение колебаний, делаются разрывы, заполняемые вибро- и звукоизоляционными материалами; замена вибрирующего оборудования или процесса на безвибрационный.

           Для снижения вибраций на пути  распространения применяют: виброизоляцию, виброгашение, вибродемпфирование.  

       Виброизоляция:

          В инженерной практике одной из действенных мер по уменьшению вибраций на пути её распространения от источника вибраций является виброизоляция. Виброизоляция бывает пассивной и активной.

Виброизоляция называется активной, если для ее уменьшения используется дополнительный источник энергии.

         Пассивная виброизоляция применяется,  если требуется защитить рабочее  место от колебаний вибрирующих  машин или защитить остальные  машины от колебаний неуравновешенных деталей (ССБТ ГОСТ 12.4.046-78 «Методы и средства вибрационной защиты. Классификация.»).

         Виброизоляция ослабляет передачу  колебаний от источника на  основание, пол, рабочее место  и.т.д. за счет устранения между  ними жестких связей и установки упругих элементов (виброизоляторов). 

  В качестве виброизоляторов применяют: стальные пружины или рессоры, прокладки из резины, войлока, а также резинометаллические, пружинно-пластмасовые и пневморезиновые конструкции, использующие упругие свойства материалов и воздуха и т.д.

       Пружинные виброизоляторы широко применяют в машинах и механизмах. Они обладают высокой виброизолирующей способностью и долговечностью (μ=1/90…1/60). Однако из-за небольшого внутреннего трения стальные пружинные виброизоляторы плохо рассеивают энергию колебаний, поэтому затухание колебаний происходит не мгновенно, а за 15-20 периодов, что не всегда целесообразно при использовании машин, работающих в кратковременном режиме (краны, экскаваторы и.т.д).

       Виброгашение  

        Динамические гасители вибрации  наиболее эффективно применяются  для уменьшения вибрации машин  со стабильной частотой колебаний  (насосов, турбогенераторов, силовых  установок и т.д.). Работа виброгасителя сводится к следующему. Виброгаситель массой m и жесткостью К! присоединяется к вибрирующему механизму, колебания которого необходимо погасить (масса механизма М и жесткость К). Колебания механизма под действием возмущающей силы происходят по гармоническому закону F0 * sin ωt . Массу и жесткость виброгасителя m и  К! подбирают таким образом, чтобы частота собственных колебаний виброгасителя была равна ω = ω0 . При этом, в каждый момент времени сила F1 от виброгасителя действует против силы F(виброгаситель входит в резонансные колебания, а колебания механизма массой М уменьшаются). Виброгашение применяется для снижения колебаний высотных объектов (теле- и радиоантенны, дымовые трубы, памятники).