Механические колебания. Вибрация

Вибрация - вид механических колебаний, возникающих при передаче телу механической энергии от источника колебаний. Согласно ГОСТ 24346-80 "Вибрация. Термины и определения" вибрацией называют движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты. Так же, как и шум, вибрация является одним из факторов физической среды обитания человека.

Вибрация как фактор производственной среды встречается в различных отраслях промышленности (металлургической, машиностроительной, химической, авиа- и судостроительной и других), на транспорте, в сельском хозяйстве. Она используется в ряде технологических процессов: при виброуплотнении, формовании, прессовании, вибрационном бурении, рыхлении, вибротранспортировке и т.д.

Вибрацией сопровождается работа стационарных и передвижных ме-ханизмов и агрегатов, в основу действия которых положено вращательное и возвратно-поступательное движение.

В условиях городской среды интенсивным источником вибраций являются рельсовый городской транспорт (трамвай, метрополитен), железнодорожный транспорт, инженеро-техническое оборудование зданий (лифты, насосные установки), система отопления, канализации, мусоропроводов.

В зависимости от способа передачи на человека вибрацию различают общую и локальную.

Под общей вибрацией понимают вибрацию рабочего места, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека. Вибрация, передаваемая через руки работающего, определяется как локальная.

Локальную вибрацию создают ручные машины ударного, ударно-вра-щательного и вращательного движения. К виброопасному оборудованию относятся клепальные, рубильные, отбойные молотки, бетоноломы, трамбовки, вибраторы, дрели, шлифовальные машины, электропилы и др. Воздействие вибрации усугубляется интенсивным шумом, возникающим при работе этих машин.

В производственных условиях чаще всего имеет место сочетание локальной и общей вибрации.

2.2.1. Действия вибрации

Вибрация является одним из энергетических факторов, обладающих высокой биологической активностью. Глубина, направленность и характер физиологических изменений различных систем организма определяется уровнем, спектральным составом вибраций, а также физиологическими свойствами тела человека.

Тело человека можно рассматривать как сложную колебательную систему, первичная механическая реакция которой на вибрацию предопределяет все последующие физиологические эффекты.

Действие вибрации на организм обусловлено следующими явлениями:

- физическим воздействием на поверхность контакта;

- распространением колебаний по тканям;

- непосредственной реакцией на воздействия в органах и тканях и раздра- жением рецепторов.

На первом этапе воздействия вибрации определяющим является механический импеданс (сопротивление). Это важнейшая биодинамическая характеристика тела человека, зависящая от направления вибрации, точки ее приложения, положения тела, его мышечного тонуса.

Второй этап воздействия вибрации определяется механическими свойствами тканей и структур тела, третий этап - типом и количеством раздражаемых рецепторов.

Вибрация, передающаяся на организм человека, вне зависимости от места контакта распространяется по всему телу. Этому способствует относительно хорошая проводимость механических колебаний тканями тела, особенно костной системой. По мере удаления от места контакта интенсивность вибрации обычно ослабевает. Но на некоторых частотах интенсивность воздействия может возрастать на определенных частях тела вследствие резонансных явлений, обусловленных наличием собственной частоты колебаний разных частей тела.

Так, для человека, стоящего на вибрирующей поверхности, имеются два резонансных пика на частотах 5-12 и 17-25 Гц, для сидящего на частотах 4-6 Гц. Для головы резонансные частоты лежат в области 20-30 Гц. В этом диапазоне частот амплитуда колебаний головы может в 3 раза превышать амплитуду колебаний плеч.

Колебания внутренних органов грудной клетки и брюшной полости обнаруживают резонанс на частотах 3,0-3,5 Гц.

Большую роль в проявлении резонанса имеет рабочая поза, которая трансформирует колебания, передающиеся на тело человека. Эффективность гашения телом механических колебаний в положении сидя меньше, чем в положении стоя.

При воздействии общей вибрации происходят изменения в центральной и вегетативной нервной системе, сердечно-сосудистой системе, вестибулярном аппарате, нарушаются обменные процессы.

Локальная вибрация, передаваемая на руки работающих, может оказывать как непосредственное травмирующее действие в зоне контакта, так и опосредованное, воспринимаясь через механорецепторы нервной системы и влияя в первую очередь на нервную и сердечно-сосудистую системы.

Низкочастотная локальная вибрация приводит чаще всего к поражению мышц, так механическое сопротивление руки в этих условиях определяется жесткостью системы; ни масса, ни трение в этом диапазоне частот не влияют на механический импеданс.

Для высокочастотных вибраций область распространения ограничивается зоной контакта из-за больших потерь энергии в структурах тела. Передаваемая на руки вибрация, отражаясь от жестких структур (кости), создает высокую плотность энергии в мягких тканях и возбуждает более интенсивные колебания в стенках кровеносных сосудов. При этом возможны спазм и атония сосудов. Чем выше частота колебаний и меньше диаметр сосудов, тем выраженнее сосудистые изменения.

Вся совокупность изменений в организме работающих, которые длительно контактируют с вибрацией, рассматривается как вибрационная болезнь.

Особенностью данного профессионального заболевания является то, что эффективное лечение ее возможно только на ранних стадиях. Запущенная виброболезнь является показанием для перевода людей на инвалидность.

Воздействию вибрации подвергаются не только работающие; вибрация может привести к преждевременному износу, разгерметизации и разрушению производственного оборудования и инженерно-строительных сооружений. Передаваясь через грунт на стены зданий, вибрация способствует их неравномерной усадке, приводящей к разрушению.

2.2.2. Характеристика основных параметров вибрации

Параметрами, характеризующими простейший вид вибрации - синусо-идальные колебания, являются: частота f (Гц), амплитуда А (м), скорость V (м/с) и ускорение W (м/с²). Значения скорости и ускорения для синусоидальных колебаний определяют по формулам:

V = 2 p fA, W = (2 p f)² A

Поскольку абсолютные значения скорости и ускорения изменяются в широком диапазоне, для оценки вибрации пользуются относительными уровнями виброскорости и виброускорения, выражаемыми в децибелах:

Рис.2.1. Спектры вибраций: а,б - дискретные; в - непрерывный; г - непрерывный дискретный

где V_o - пороговое значение колебательной скорости, равное 5^.10^-8 м/с; W_o - пороговое значение виброускорения, равное 3^.10^-4 м/с .

Использование логарифмической шкалы для гигиенической оценки воздействия вибрации обусловлено еще и тем обстоятельством, что чувствительность организма к действию вибрации изменяется пропорционально логарифму интенсивности воздействия.

Вибрации, происходящие в реальных производственных условиях, представляют сложный колебательный процесс, состоящий из отдельных синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами. Для характеристики таких вибраций используют спектры действующих значений параметров характеризующих вибрацию. Поскольку действие вибрации на организм определяется количеством энергии колебаний, а она в любой момент времени пропорциональна квадрату колебательной скорости, то основными характеристиками вибраций являются спектры уровней виброскорости. Они могут быть дискретными, сплошными (или непрерывными) и смешанными (рис. 1).

2.2.3. Нормирование вибрации

Нормативными документами, регламентирующими параметры производ- ственной вибрации, являются:

1. ГОСТ 12.1.012-90 "Вибрационная безопасность. Общие требования".

2. Санитарные нормы СН 2.2.4/2 1.8.566-96 "Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий".

Нормируемыми параметрами являются среднеквадратические значения виброскорости (в м/с) и их логарифмические уровни Lv или виброускорения (в м/с) в октавных полосах частот для локальной вибрации и в октавных или третьоктавных полосах частот для общей вибрации. Диапазон частот для локальной вибрации устанавливается в виде октавных полос со среднегеометрическими частотами: 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000 Гц, для общей вибрации - в виде октавных или 1/3 октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 08; 1; 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; 40,0; 50,0; 63,0; 80,0 Гц. При нормировании учитывается продолжительность действия вибрации путем введения определенных коэффициентов.

Для гармонических колебаний нормируемым параметром является амплитуда виброперемещения (в мм), установленная с учетом частоты и характера выполняемой работы, которая используется для расчетов строительных конструкций при проектировании (табл.2.2).

Таблица 2.2