Вибрация. Методы вибрации. Действие на организм человека

ВВЕДЕНИЕ

Такие проблемы современных мегаполисов, как шум и вибрации, увеличиваются по своей интенсивности с каждым годом.

Почему современная наука так активно в последние годы стала исследовать проблему влияния шума и вибрации на организм человека? Почему измерение вибрации стало обязательным исследованием на многих предприятиях и в организациях? Да потому, что современная медицина начала бить тревогу: растет количество профессиональных заболеваний – вибрационной болезни и тугоухости, возникающей из-за длительного воздействия шума и вибрации на работника такого предприятия. И в группах риска оказалось много профессий, связанных как раз с работой в этих условиях.

Особую актуальность проблема вибрации в жилых зданиях приобрела вследствие строительства метрополитена в крупных городах нашей страны и за рубежом. Наиболее благоприятные условия для распространения вибрации создаются при использовании неглубоких туннелей углубления, строительство которых является экономически целесообразным. Трассы метрополитена прокладывают под жилыми районами, а опыт эксплуатации подземных поездов свидетельствует о том, что вибрация проникает в жилые здания в радиусе 40-70 м от туннеля метрополитена.

 Повышение уровня шума и вибрации на рабочих местах оказывает вредное воздействие на организм человека. В результате длительного воздействия шума нарушается нормальная деятельность сердечно - сосудистой и нервной системы, пищеварительных и кроветворных органов, развивается профессиональная тугоухость, прогрессирование которой может привести к полной потере слуха. Вредное воздействие повышенного уровня шума и вибрации на организм человека общеизвестно, поэтому актуальность данной проблемы очевидна.

1. Вибрация

Вибрация относится к колебательным процессам, происходящим в механических системах. Под вибрацией понимают возвратно-поступательное движение твердого тела. Наиболее простой формой колебаний является гармоническое колебание, представляющее собой синусоиду. Источники вибрации: транспортеры сыпучих грузов, перфораторы, зубчатые передачи, пневмомолотки, двигатели внутреннего сгорания, электромоторы и т. д.

Колебания характеризуются амплитудой – максимальное перемещение колеблющейся точки (см) и частотой – количество полных колебаний в единицу времени (Гц). Физическим критерием для нормирования вибрации принята колебательная скорость (или ускорение).

Виброскорость (V) – первая производная (смещения) пути по времени, выражается в см/с и рассчитывается по формуле

V = 2π·f·A

Виброускорение (W) – вторая производная пути по времени , выражается в см/с2 и рассчитывается по формуле

W = 4π·f2·A

В зависимости от характера контакта работника с вибрирующим оборудованием различают локальную и общую вибрацию. Локальная вибрация передается в основном через конечности рук и ног. Общая вибрация – через опорно-двигательный аппарат. Существует еще и смешанная вибрация, которая воздействует и на конечности, и на весь корпус человека. Локальная вибрация имеет место в основном при работе с вибрирующим ручным инструментом или настольным оборудованием. Общая вибрация преобладает на транспортных машинах, в производственных цехах тяжелого машиностроения, лифтах и т. д., где вибрируют полы, стены или основания оборудования.

По направлению различают вибрацию, действующую вдоль осей ортогональной системы координат для общей вибрации, действующую вдоль всей ортогональной системы координат для локальной вибрации.

По источнику возникновения вибрацию подразделяют на:

• транспортную (при движении машин);
• транспортно-технологическую (при совмещении движения с технологическим процессом, при разбрасывании удобрений, косьбе или обмолоте самоходным комбайном и т. д.);
• технологическую (при работе стационарных машин).

2. Действие вибрации на организм человека

Тело человека можно рассматривать как сочетание масс с упругими элементами, имеющими собственные частоты, которые для плечевого пояса, бедер и головы относительно опорной поверхности (положение "стоя") составляют 4-6 Гц, головы относительно плеч (положение "сидя") – 25-30 Гц. Для большинства внутренних органов собственные частоты лежат в диапазоне 6-9 Гц. Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц, определяемая как качка, хотя и неприятна, но не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь, вызванная нарушением нормальной деятельности вестибулярного аппарата по причине резонансных явлений.

Местная вибрация малой интенсивности может благоприятно воздействовать на организм человека (способствуя улучшению трофики, повышению функционального состояния ЦНС, ускорению заживления ран и т.п.).

При увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия возникают изменения, приводящие ряде случаев к развитию профессиональной патологии. На некоторых рабочих местах в сельскохозяйственном производстве вибрации превышают нормируемые значения, а в некоторых случаях они близки к предельным. Не всегда соответствуют нормам уровни вибраций на органах управления.

Обычно в спектре вибрации преобладают низкочастотные вибрации, отрицательно действующие на организм. Некоторые виды вибрации неблагоприятно воздействуют на нервную и сердечнососудистую системы, вестибулярный аппарат. Наиболее вредное влияние на организм человека оказывает вибрация, частота которой совпадает с частотой собственных колебаний отдельных органов, примерные значения которых следующие (Гц): желудок - 2...3; почки - 6...8; сердце - 4...6; кишечник- 2...4; вестибулярный аппарат - 0,5..Л,3; глаза - 40...100 и т.д.

Воздействие на мускульные рефлексы достигает 20 Гц; нагруженное массой оператора сиденье на тракторе имеет собственную частоту вибрации 1,5...1,8 Гц, а задние колеса трактора - 4 Гц.

Организму человека вибрация передается в момент контакта с вибрирующим объектом: при действии на конечности возникает локальная вибрация, а на все тело - общая. Локальная вибрация поражает нервно-мышечные ткани и опорно-двигательный аппарат и приводит к спазмам периферических сосудов. При длительных и интенсивных вибрациях в некоторых случаях развивается профессиональная патология (к ней чаще приводит локальная вибрация): периферическая, церебральная или церебрально-периферическая вибрационная болезнь. В последнем случае наблюдаются изменения сердечной деятельности, общее возбуждение или, наоборот, торможение, утомление, появление болей, ощущение тряски внутренних органов, тошнота. В этих случаях вибрации влияют и на костно-суставной аппарат, мышцы, периферийное кровообращение, зрение, слух. Местные вибрации вызывают спазмы сосудов, которые развиваются с концевых фаланг пальцев, распространяясь на всю кисть, предплечье, и охватывают сосуды сердца.

В производственных условиях ручные машины, вибрация которых имеет максимальные уровни энергии (максимальный уровень виброскорости) в полосах низких частот (до 36 Гц), вызывают вибрационную патологию с преимущественным поражением нервно-мышечной ткани и опорно-двигательного аппарата. При работе с ручными машинами, вибрация которых имеет максимальный уровень энергии в высокочастотной области спектра (выше 125 Гц), возникают главным образом сосудистые расстройства. При воздействии вибрации низкой частоты заболевание возникает через 8... 10 лет, а при воздействии высокочастотной вибрации - через 5 лет и раньше. Общая вибрация разных параметром вызывает различную степень выраженности изменений нервно и системы (центральной и вегетативной), сердечнососудистой системы и вестибулярного аппарата.

В зависимости от параметров (частота, амплитуда) вибрация может как положительно, так и отрицательно влиять на отдельные ткани и организм в целом. Вибрацию используют при лечении некоторых заболеваний, но чаще всего вибрацию (производственную) считают вредно влияющим фактором. Поэтому важно знать граничные характеристики, разделяющие позитивное и негативное влияние вибрации на человека.

Впервые на полезное значение вибрации обратил внимание французский ученый аббат Сен Пьер, который в 1734 г. сконструировал вибрирующее кресло для домоседов, повышающее мышечный тонус и улучшающее циркуляцию крови.

В начале XX в. в России профессор Военно-медицинской академии А.Е. Щербак доказал, что умеренная вибрация улучшает питание тканей и ускоряет заживление ран.

Производственная вибрация, характеризующаяся значительной амплитудой и продолжительностью действия, вызывает у работающих раздражительность, бессонницу, головную боль, ноющие боли в руках людей, имеющих дело с вибрирующим инструментом. При длительном воздействии вибрации перестраивается костная ткань: на рентгенограммах можно заметить полосы, похожие на следы перелома - участки наибольшего напряжения, где размягчается костная ткань. Возрастает проницаемость мелких кровеносных сосудов, нарушается нервная регуляция, изменяется чувствительность кожи. При работе с ручным механизированным инструментом может возникнуть акроасфиксия (симптом мертвых пальцев) - потеря чувствительности, побеление пальцев, кистей рук.

При воздействии общей вибрации более выражены изменения со стороны центральной нервной системы: появляются головокружения, шум в ушах, ухудшение памяти, нарушение координации движений, вестибулярные расстройства, похудение.

Вибрацию часто измеряют приборами, шкалы которых отградуированы не в абсолютных значениях скорости и ускорения, а в относительных - децибелах. Поэтому характеристиками вибрации служат также уровень колебательной скорости и уровень колебательного ускорения. Рассматривая человека как сложную динамическую структуру с изменяющимися во времени параметрами, можно выделить частоты, вызывающие резкий рост амплитуд колебаний как всего тела в целом, так и отдельных его органов. При вибрации ниже 2 Гц, действующей на человека вдоль позвоночника, тело движется как единое целое. Резонансные частоты мало зависят от индивидуальных особенностей людей, так как основной подсистемой, реагирующей на колебания, являются органы брюшной полости, вибрирующие в одной фазе. Резонанс внутренних органов наступает при частоте З...3,5 Гц, а при 4...8 Гц они смещаются.

Если вибрация действует в горизонтальной плоскости по оси, перпендикулярной позвоночнику, то резонансная частота тела обусловлена сгибанием позвоночника и жесткостью тазобедренных суставов. Область резонанса для головы, сидящего человека соответствует 20…30 Гц. В этом диапазоне амплитуда виброускорение головы может втрое превышать амплитуду колебаний плеч. Качество зрительного восприятия предметов значительно ухудшается при частоте 60…70 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок.

Исследователи Японии установили, что характер профессии определяет некоторые особенности действия вибрации. Например, у шоферов грузовых машин широко распространены желудочные заболевания, у водителей трелевочных тракторов на лесозаготовках - радикулиты, у пилотов, особенно работающих на вертолетах, наблюдается снижение остроты зрения. Нарушения нервной и сердечнососудистой деятельности у летчиков возникают в 4 раза чаще, чем у представителей других профессий.

3. Нормирование вибрации

Цель нормирования вибраций - предотвращение функциональных расстройств и заболеваний, чрезмерного утомления и снижения работоспособности.

 Различают гигиеническое и техническое нормирование вибрации.

В основе гигиенического нормирования лежат медицинские показания. Нормированием устанавливают допустимую суточную или недельную дозы, предупреждающие в условиях трудовой деятельности функциональные расстройства или заболевания работающих.

Для нормирования воздействия вибрации установлены четыре критерия: обеспечение комфорта, сохранение работоспособности, сохранение здоровья и обеспечение безопасности. В последнем случае используются предельно допустимые уровни для рабочих мест.

Техническое нормирование – ограничивает параметры вибрации не только с учетом указанных требований, но и исходя из достижимого на сегодняшний день для данного типа оборудования уровня вибрации. Разработаны нормативные документы (ГОСТы ССБТ, Санитарные нормы и др.), устанавливающие допустимые значения и методы оценки характеристик вибраций. Так, например, допустимые уровни производственной вибрации, вибрации в помещениях жилых и общественных зданиях устанавливаются СН 2.2.4/2.1.8.566 – 96. Оценка вибрации ручных машин производится по спектру виброскорости в диапазоне частот 11-2800 Гц. Для каждой октавной полосы в пределах указанных частот устанавливают предельно допустимые значения среднеквадратичной величины виброскорости и ее уровни относительно порогового значения, равного 5•10ˉ8 м/с. Масса вибрирующего оборудования или его частей, удерживаемых руками, не должна превышать 10 кг, а усилие нажима – 20 кг.

Общая вибрация нормируется с учетом свойств источника ее возникновения и делится на вибрацию:

• транспортную, которая возникает в результате движения машин по местности и дорогам;

• транспортно-технологическую, которая возникает при работе машин, выполняющих технологические операции в стационарном положении, а также при перемещении по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок.

• технологическую, которая возникает при работе стационарных машин (технологического оборудования) или передается на рабочие места, не имеющие источников вибраций (например, складах, столовых, бытовых помещениях , рабочих местах заводоуправления, конструкторских бюро, учебных пунктах, вычислительных центрах и др.).

Высокие требования предъявляют при нормировании технологических вибраций в помещениях для умственного труда (дирекция, диспетчерская, бухгалтерия и т. п.). Гигиенические нормы вибрации установлены для рабочего дня длительностью 8 ч (табл.).

Таблица

Допустимые значения вибрации в административно-управленческих помещениях и в помещениях общественных зданий

Вибрации измеряют виброметрами типов НВА-1 и ИШВ-1. Аппаратура НВА-1 в комплекте с пьезометрическими датчиками Д-19, Д-22, Д-26 позволяет определять низкочастотную виброскорость и виброускорения. Виброизмерительный комплекс представляет собой измерительный преобразователь (датчик), усилитель, полосовые фильтры и регистрирующий прибор. Контролируемые параметры - действующие значения виброскорости, ускорения или их уровней (дБ) в октавных полосах частот. Параметры вибрации определяют в том направлении, где колебательная скорость наибольшая.

4. Методы снижения воздействия вибрации на человека

Для защиты от вибрации применяют следующие методы:

• снижение виброактивности машин;
• отстройка от резонансных частот;
• вибродемпфирование;
• виброизоляция;
• виброгашение;
• индивидуальные средства защиты.

Снижение виброактивности машин (уменьшение Fm) достигается изменением технологического процесса, применением машин с такими кинематическими схемами, при которых динамические процессы, вызываемые ударами, ускорениями и т. п. были бы исключены или предельно снижены. Применением кинематических зацеплений пониженной виброактивности, например, шевронных и косозубых зубчатых колес вместо прямозубых; заменой подшипников качения на подшипники скольжения; применением конструкционных материалов с повышенным внутренним трением.

Отстройка от резонансных частот заключается в изменении режимов работы машины и соответственно частоты возмущающей вибросилы; собственной частоты колебаний машины путем изменения жесткости системы с, например установкой ребер жесткости или изменения массы системы.

Вибродемпфирование - это метод снижения вибрации путем усиления в конструкции процессов трения, рассеивающих колебательную энергию в результате необратимого преобразования ее в теплоту при деформациях, возникающих в материалах, из которых изготовлена конструкция. Вибродемпфирование осуществляется нанесением на вибрирующие поверхности слоя упруговязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение,- мягких покрытий (резина, пенопласт ПХВ-9, мастика ВД17-59, мастика «Анти-вибрит») и жестких (листовые пластмассы, стеклоизол, гидроизол, листы алюминия); применением поверхностного трения (например, прилегающих друг к другу пластин, как у рессор); установкой специальных демпферов.

Виброгашение (увеличение массы системы) осуществляют путем установки агрегатов на массивный фундамент. Виброгашение наиболее эффективно при средних и высоких частотах вибрации. Этот способ нашел широкое применение при установке тяжелого оборудования (молотов, прессов, вентиляторов, насосов и т. п.).

Виброизоляция заключается в уменьшении передачи колебаний от источника к защищаемому объекту при помощи устройств, помещаемых между ними. Для виброизоляции чаще всего применяют виброизолирующие опоры типа упругих прокладок, пружин или их сочетания.

Уменьшения вибрации в источнике возникновения достигают изменением технологического процесса с изготовлением деталей из капрона, резины, текстолита, своевременным проведением профилактических мероприятий и смазочных операций; центрированием и балансировкой деталей; уменьшением зазоров в сочленениях.

Помимо технических средств и методов для снижения воздействия вибрации на человека необходимо проводить организационные и медико-профилактические мероприятия.

В соответствии с положением о режиме труда работников виброопасных профессий общее время контакта с вибрирующими машинами, вибрация которых соответствует санитарным нормам, не должно превышать 2/3 длительности рабочего дня.

Производственные операции должны распределяться между работниками так, чтобы продолжительность непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, не превышала 15 - 20 мин. Рекомендуется при этом два регламентированных перерыва (для активного отдыха, проведения производственной гимнастики по специальному комплексу, гидромассаж, тепловые ванночки для рук и др.): 20 мин (через 1–2 ч после начала смены) и 30 мин - через 2 ч после обеденного перерыва.

К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие соответствующую квалификацию, сдавшие технический минимум по правилам безопасности и прошедшие медицинский осмотр.

Работа с вибрирующим оборудованием, как правило, должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16°С, при влажности 40 - 60% и скорости движения не более 0,3 м/с.

При невозможности создания подобных условий (работа на открытом воздухе, подземные работы и т.п.) для периодического обогрева должны быть предусмотрены специальные отапливаемые помещения с температурой воздуха не менее 22°С,  влажностью 40 - 60% и скоростью движения воздуха 0,3 м/с.

Для повышения защитных свойств организма, работоспособности и трудовой активности следует использовать специальные комплексы производственной гимнастики, витаминопрофилактику (2 раза в год комплекс витаминов В и С, никотиновая кислота), спецпитание. Целесообразно также проводить в середине или в конце рабочего дня 5- 10 минутные гидропроцедуры, тепловые ванночки при температуре воды 38°С и самомассаж верхних конечностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, вибрация и звук при определенных условиях являются биологически опасным фактором, угрожающим целостности организма.

Эта опасность для человека стремительно возрастает в связи с развитием техники, так как увеличивается интенсивность сопутствующих факторов, при действии которых и вибрация, и шум становятся особенно опасными. Речь идет о температуре окружающей среды, степени загрязнения атмосферы, радиации, магнитных полях и др.

Следует иметь в виду и то, что наряду с физическими факторами в патогенезе вибрационной болезни важнейшую роль играет фактор социальный: моральная обстановка в трудовом коллективе, интерес к профессии, материальные условия жизни и др.

Именно в силу своей массовости, в силу этих сопутствующих факторов новая нозологическая единица болезни, порожденная техническим прогрессом, - вибрационная болезнь - теперь стала предметом исследований медиков всех стран мира, ученых различных областей науки: физиологов, биофизиков, математиков и, как мы уже подчеркивали, социологов.

Эта проблема в наше время приобрела важнейшее социальное значение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев С.В., Пивоваров Ю.П., Янушанец О.И. Экология человека: Учебник. - М.: Икар, 2002
2. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие / В.А. Козловский, А.В. Козловский. Екатеринбург: Изд-во Росс. гос. проф.-пед. ун-та, 2004. 292 с.
3. Гигиена и экология человека: Курс лекций/ Под ред. Ю.П. Пивоварова. - М.: ГОУ ВУНКЦ МЗ РФ, 2001.
4. Ковригин К.Н., Михеев А.П. Влияние уровня шума на производительность труда.- М.: Гигиена и санитария, 1965.
5. Пивоваров Ю.П., Королик В.В., Зиневич Л.С. Гигиены и основы экологии человека: Учеб. пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2002.

1

2.

3. 45. Зотов Б.И., Курдюмов  В.И. БЖД.- М.: КолосС, 2004.

6. Белов С.В. БЖД.- М.: Высшая  школа, 2001.