Защита от производственных вибраций. Причины возникновения и физические характеристики вибраций. Действие вибраций на человека
Причиной возникновения вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. В одних случаях их источниками являются возвратно-поступательно движущиеся детали (кривошипно-шатунный механизм в двигателях и компрессорах, боек в ручных перфораторах, вибрационные механизмы для уплотнения бетонных и асфальто-бетонных смесей, вибротрамбовки, агрегаты виброформования в литейных цехах, агрегаты для проковки сварных соединений и т. п.); в других случаях неуравновешенные вращающиеся массы (ручные электрические и пневматические шлифовальные машины, режущий инструмент станков и т. п.). Иногда вибрации создаются ударами деталей (зубчатые зацепления коробки передач, подшипниковые узлы, соединительные муфты и т. п.).
Наличие дисбаланса во всех случаях приводит к появлению неуравновешенных центробежных сил, вызывающих вибрацию. Причиной дисбаланса может явиться неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы тела и оси вращения, деформация деталей от неравномерного нагрева при горячих и холодных посадках и т. п.
Основными параметрами, характеризующими вибрацию, происходящую по синусоидальному закону, являются: амплитуда смещения хт — величина наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия; амплитуда колебательной скорости vm — максимальное из значений скорости колеблющейся точки; амплитуда колебательного ускорения ат — максимальное из значений ускорения колеблющейся точки; период колебаний Т — промежуток врехмени между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы; частота f в герцах, связанная с периодом известным соотношением f = 1/T.
Смещение в случае синусоидальных колебаний определяется формулой x=xm sin (wt + φ), где w — круговая частота (w = 2πf); φ — начальная фаза. В большинстве задач охраны труда начальная фаза значения не имеет и может не учитываться.
Соотношение между смещением, скоростью и ускорением задается следующими выражениями: v = х = jwx; а = х = v = —w2х, где j=√-1 оператор поворота вектора колебаний на угол π/2 во времени.
В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию (например, колебательная скорость), является некоторой функцией времени: v = v (t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде суммы бесконечно долго длящихся синусоидальных колебаний с различными периодами и амплитудами. В случае периодического процесса частоты этих составляющих кратны основной частоте процесса: fn = nf1, где п = 1, 2, 3, ..., f1 — основная частота процесса, а амплитуды гармоник определяются по известным формулам разложения в ряд Фурье. Если же процесс не имеет определенного периода (случайные или кратковременные одиночные процессы), то число таких синусоидальных составляющих становится бесконечно большим, а их частоты распределены непрерывным образом, при этом амплитуды определяются разложением по формуле интеграла Фурье.
Таким образом, спектр периодического или квазипериодического колебательного процесса является дискретным (рис. 27а), а случайного или кратковременного одиночного процесса — сплошным (рис. 27, б). Чаще всего в дискретном спектре наиболее ярко выражена основная частота колебаний, обусловленная работой привода. Если процесс представляет собой сложение нескольких периодических процессов, частоты отдельных составляющих в его спектре могут быть не кратными друг другу, т. е. имеет место квазипериодический процесс (рис. 27, а). Если же процесс представляет собой сумму нескольких периодических и случайных процессов, спектр его является смешанным, т. е. изображается в виде сплошного и дискретного спектров, наложенных друг на друга (рис. 27, в).
В вопросах охраны труда в силу специфических свойств органов чувств определяющими являются действующие значения параметров, характеризующих вибрацию. Так, действующее значение колебательной скорости есть среднее квадратичное мгновенных значений скорости за время усреднения
Таким образом, для характеристики вибрации используют спектры действующих значений параметров или средних квадратов последних. При оценке суммарного воздействия колебаний различных частот или отдельных источников на человека следует иметь в виду, что при сложении некогерентных колебаний результирующую колебательную скорость (ускорение, смещение) находят энергетическим суммированием мощностей отдельных составляющих спектра (или отдельных источников) или, что одно и то же, суммированием средних квадратов 
, где n — число составляющих в спектре.
В соответствии с этим результирующее действующее значение процесса определяется выражением 
Изображение сплошного спектра требует обязательной оговорки о ширине Δf элементарных частотных полос, к которым относится изображение. Если f1 — нижняя граничная частота данной полосы частот, f2 — верхняя граничная частота, то в качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая
частота fсг=√f1f2
В практике виброакустических исследований весь диапазон частот вибрации разбивается на октавные диапазоны. В октавном диапазоне верхняя граничная частота вдвое больше нижней f2/f2 = 2.
Анализ вибрации может производиться также в третьоктавных 
полосах частот. В третьоктаве 
.
Среднегеометрические частоты октавных полос частот вибраций стандартизированы и составляют: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.
Учитывая, что абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, в практике виброакустических исследований используют понятие уровня параметров.
Уровень параметра есть логарифмическое отношение абсолютной величины параметра к некоторому его значению, выбранному в качестве начала отсчета (опорное или пороговое значение). Измеряются уровни в децибелах (дБ).
Уровень колебательной скорости (дБ)
где средний квадрат колебательной скорости v2 берется в соответствующей полосе частот; v0 — опорное или пороговое значение колебательной скорости (м/с), выбранное международным соглашением:
Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибрации.
Различают общую и локальную (местную) вибрации. Общая вибрация вызывает сотрясения всего организма, местная вовлекает в колеторых других видов оборудования. Локальной вибрации подвергаются работающие с ручным механизированным электрическим и пневматическим инструментом (зачистка сварочных швов, обрубка литья, клепка, шлифовка и т. п.). В ряде случаев работающий может подвергаться одновременно воздействию общей и локальной вибрации (комбинированная вибрация), например, при работе на строительно-дорожных машинах и транспорте.
Общие вибрации с частотой менее 0,7 Гц (качка) хотя и неприятны, но не приводят к вибрационной болезни. Тело человека и его отдельные внутренние органы движутся в этом случае как единое целое, не испытывая взаимных перемещений. Следствием такой вибрации является морская болезнь, происходящая из-за нарушения нормальной деятельности органов равновесия.
Различные внутренние органы и отдельные части тела (например, голову или сердце) можно рассматривать как колебательные системы с определенной сосредоточенной массой, соединенные между собой «пружинами» с определенными упругими свойствами и включением параллельных сопротивлений. Очевидно, что такая система обладает рядом резонансов, частоты которых (субъективное восприятие вибраций) зависят также от положения тела работающего («стоя», или «сидя»).
Резонанс на частотах 4—6 Гц соответствует колебаниям плечевого пояса, бедер (в положении «стоя»), головы относительно основания (положение «стоя»); на частотах 25—30 Гц — головы относительно плеч (положение «сидя»). Для большинства внутренних органов собственные частоты лежат в диапазоне 6—9 Гц. Колебания рабочих мест с указанными частотами весьма опасны, так как могут вызвать механические повреждения и даже разрыв этих органов. Систематическое воздействие общих вибраций в резонансной или околорезонансной зоне может быть причиной вибрационной болезни — стойких нарушений физиологических функций организма, обусловленных преимущественно воздействием вибраций на центральную нервную систему. Эти нарушения проявляются в виде головных болей, головокружений, плохого сна, пониженной работоспособности, плохого самочувствия, нарушений сердечной деятельности.
Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов, которые, начинаясь с концевых фаланг пальцев, распространяются на всю кисть, предплечье и охватывают сосуды сердца. Вследствие этого происходит нарушение периферического кровоснабжения — ухудшение снабжения конечностей кровью. Одновременно наблюдается воздействие вибрации на нервные окончания, мышечные и костные ткани, выражающееся в нарушении чувствительности кожи, окостенении сухожилий мышц, болях и отложениях солей в суставах кистей рук и пальцев, что приводит к деформациям и уменьшению подвижности суставов. Все указанные изменения усиливаются в холодный и уменьшаются в теплый период года. Одновременно наблюдаются нарушения деятельности центральной нервной системы, как при общей вибрации.
Виброболезнь относится к группе профзаболеваний, эффективное лечение которых возможно лишь на ранних стадиях, причем восстановление нарушенных функций протекает очень медленно, а в особо тяжелых случаях в организме наступают необратимые изменения, приводящие к инвалидности.
Полезная информация: