Захист від виробничих вібрацій

Лекція 6

Захист від виробничих вібрацій

 

Питання:

 

1 Фізична характеристика і класифікація  вібрацій.

2 Дія вібрації на людину.

3 Санітарно-гігієнічне  нормування вібрацій.

4 Загальні методи боротьби  зі шкідливою дією вібрацій.

5 Вимірювання вібрації  і вібровимірювальна апаратура.

1 Фізична характеристика  і класифікація вібрацій

 

Захист від виробничих вібрацій в даний час дуже актуальний. Це підтверджується тим, що:

1 Підвищується швидкохідність  і одинична потужність машин, в той же час знижується їх металоємність. Таким чином, два прогресивні напрями машинобудування вступають в суперечність. Результат суперечності - виникнення вібрацій.

2 Іноді вібрація - це  принцип роботи технологічного  устаткування (різні вібробункери, віброгрохоти, віброкиплячий шар, ущільнення бетону і т.п.).

У цьому питанні необхідно  знаходити оптимальне співвідношення між "корисністю" машин і її негативними сторонами. За числом своїх жертв віброхвороба займає тверде друге місце після легеневих хвороб (в розвинених індустріальних країнах).

Все це призводить до великих економічних  втрат, а також небажаних соціальних результатів (плинність кадрів, низька трудова дисципліна).

Відповідно до наявності у найпростіших одномасових систем 6 ступенів свободи вібрація в загальному випадку реалізується в 6 формах (рис. 6.1).

 

        

 

      

 

 

     

 

Рисунок 6.1 - Форми реалізації вібрацій

 

Вібрація - це рух точки  або механічної системи, при якому відбувається почергове зростання або зменшення за часом значень, принаймні, однієї координати.

Причинами вібрації можуть бути:

1) неврівноважені силові дії  (зубчасті зачеплення, кривошипно-шатунний механізм в двигунах і компресорах);

2) неврівноважені елементи, які обертаються: нерівномірний розподіл продукту в млинах, центрифугах, сепараторах, що обертаються. Не симетричний знос викликає биття. Дисбаланс через дефекти литва, не симетричний розподіл маси та ін.;

3) вітровий резонанс (на  цю причину до 50-х років минулого сторіччя не звертали уваги).

У місті Волгограді є пам'ятник  на Мамаєвому кургані - висота 52 метри і ще 28 метрів меч. Стали помічати, що пам'ятник, особливо у вітряну погоду, дзвенить. Верхолази після обстеження помітили, що меч у основи дає тріщину, а амплітуда коливання верхівки меча складає 0,5  метрів. Дослідження показали, що при обтіканні меча повітряними потоками рівномірний ламінарний рух порушувався, завихрення, що зриваються з гострих кромок, спричинюють меч до коливань, частота яких збігалася з власною частотою коливання меча. Виникав резонанс і всі вищезазначені наслідки.

За рекомендаціями вчених меч замінили. Новий меч має  закруглені кромки і наскрізні отвори для проходження повітря. Ці заходи ліквідовували явище вітрового  резонансу.

Класифікація  вібрацій

1 За способом передачі на  людину вібрація поділяється на:

Загальну - що передається через  опорні поверхні на тіло людини, яка  сидить або стоїть.

Локальну - що передається через руки людини.

2 За напрямом дії вібрації  поділяються:

а)такі, що  діють вздовж осей системи координат Х, У, Z для  загальної вібрації, де Z вертикальна вісь;

б) такі, що  діють вздовж осей системи координат Хр, Ур, Zр - для локальної вібрації, де вісь Хр - збігається з віссю місць обхвату робочого інструменту, вісь Zр - лежить в площині, створеною віссю Хр і напрямом подачі або прикладання сили.

3 Загальна вібрація за джерелом  її виникнення поділяється на:

1. транспортну вібрацію (під час руху машин по місцевості);
2. транспортно-технологічну (при роботі машин, що виконують технологічну операцію в стаціонарному режимі);
3. технологічну - при роботі стаціонарних машин, або передається на робочі місця, що не мають джерел вібрації.

 

Характеристика вібрацій

Умовно всі найскладніші вібрації або коливання можна подати як суму простих. Найпростішими з коливань є гармонійні коливання, що здійснюються за синусоїдальниму законом.

Основними параметрами вібрації, що здійснюються за синусоїдальним законом, є:

1 Амплітуда вібропереміщення - Х_m.

2 Амплітуда коливальної швидкості  – V_m.

3 Амплітуда коливального прискорення  – A_m.

4 Період коливань – Т.

5 Частота - f, пов'язана з періодом співвідношенням f=1/T.

Вібропереміщення у разі синусоїдальних коливань визначається за формулою

 

Х = Х_m·sin(ωt + φ),   (6.1)

 

де ω - кутова швидкість, ω = 2ωf;

φ - початкова фаза вібропереміщення.

У більшості випадків початкова фаза у завданнях охорони праці значення не має і може не враховуватися.

Через специфічні властивості органів  чуття людини визначальними є  не амплітудні, а діючі значення параметрів, що характеризують вібрацію.

Так, діюче значення віброшвидкості є середньоквадратичне миттєвих значень швидкості V(t) за час усереднювання T_y.

Математично це виглядає так:

 

.             (6.2)

 

Враховуючи, що абсолютне значення даних параметрів вібрації змінюються в дуже широкому діапазоні (до 16 порядків)  у практиці віброакустичних досліджень (як і при дослідженні шумів), використовуються логарифмічні рівні відповідних параметрів.

Рівень будь-якого параметра  вібрації також позначається L з відповідним індексом. Наприклад:

рівень віброшвидкості, дБ:

 

,  (6.3)

 

де V - фактичне значення параметра  віброшвидкості;

V_гр - граничне значення параметра швидкості.

Міжнародною угодою прийнято V_гр = 2·10^-8 м/с.

У віброакустиці вібрації досліджують в октавах з такими середньогеометричними частотами, Гц: 1, 2, 4, 8, 16, 31, 5, 63,125, ... , 2000. Частоти, більше 31,5 Гц, враховують і звукові коливання.

Частоти до 63 Гц найбільш небезпечні, оскільки вони збігаються з власною частотою коливань різних органів людини.

 

2 Дія вібрації  на організм людини

 

Дія вібрації на організм людини залежить від величини коливальної енергії, яка поглинута тілом людини:

 

Q = S·T·I ,   (6.4)

 

де Q - енергія, яка поглинута  тілом людини, Дж;

S - площа контакту з  вібруючою поверхнею, м² ;

T - тривалість дії,  с;

I - інтенсивність подразника. Вона прямо пропорційна коливальній швидкості і модулю повного механічного імпедансу, який розглядатиметься нижче.

Фізіологічно коливальна швидкість, що дорівнює 10^-4 м/с, уловлюється людиною як поріг сприйняття. При швидкості 1 м/с виникає вже больове відчуття.

Як згадувалось при класифікації вібрації, за дією на організм людини розрізняють загальну і локальну (місцеву) вібрації.

Загальна вібрація викликає струс  всього організму.

Місцева залучає до коливального руху окремі частини тіла.

Локальним (місцевим) вібраціям піддаються робітники, які працюють з різними видами ручного механізованого інструменту (при зачищенні зварних швів, обрубуванні литва, клепанні і т.п.).

Дія загальних вібрацій на організм людини відбувається по-різному і залежить від частоти.

Загальні вібрації з частотою до 0,7 Гц (колихання), хоча і неприємні, але не призводять до захворювання. У цьому випадку тіло людини і  його окремі внутрішні органи рухаються  як єдине ціле, не зазнаючи  взаємних переміщень. Наслідком такої вібрації є т.зв. “морська” хвороба, яка виникає через порушення нормальної діяльності вестибулярного апарату людини.

Різні внутрішні органи і окремі частини тіла (наприклад, голову і серце) умовно можна розглядати, як коливальні системи з певною зосередженою масою. Як сполучні пружини тут є м'язи, кістки і сполучні тканини. Така система має ряд резонансів, частоти яких залежать також від положення тіла працівника ("стоячи" або "сидячи").

Резонанс на частотах 4-6 Гц відповідає коливанням плечового пояса та стегон; на частотах 25-30 Гц - голови відносно плечей (положення "сидячи").

Для більшості внутрішніх органів  власні частоти коливань лежать в діапазоні 6-9 Гц.

Коливання робочих місць із зазначеними  резонансними частотами дуже небезпечні, оскільки можуть викликати навіть механічні пошкодження і розрив цих органів. Систематична дія загальних вібрацій в резонансній або біля резонансній частоті може стати причиною виникнення професійного захворювання - вібраційної хвороби. Вона призводить до переродження біологічних тканин:

1) атрофії м'язів;

2) втрати пружності кровоносних  судин (стають  крихкими, внаслідок чого порушується кровопостачання);

3) втрати рухливості сухожиль (деформація  хребта);

4) втрати чутливості нервових  закінчень, підвищеної ламкості волосся, нігтів.

Локальна вібрація - діє на організм людини дещо по-іншому:

1) спазми судин, які починаються  з кінцевих фаланг пальців,  поширюються на всю долоню, передпліччя  і охоплюють судини серця;

2) відбувається погіршення постачання  кінцівок кров'ю.

Одночасно спостерігається дія на нервові закінчення, м'язові і кісткові тканини. Ця дія виражається в таких проявах:

3) в порушенні чутливості  шкіри;

4) в окостенінні сухожиль  та м'язів;

5) в болях і відкладеннях  солей в суглобах рук.

Зрештою відбувається деформація і  зменшення рухливості суглобів.

 

3 Санітарно-гігієнічне  нормування вібрацій

 

У ГОСТі 12.1.012-90 нормуються вібрації окремо для кожної октавної смуги і для кожного встановленого напряму і виду вібрації. Нормуються як фактичні параметри віброшвидкості і віброприскорення відповідно, м/с і м/с² ,так і їх рівні, дБ.

Найбільш наочно нормування вібрацій можна подати графічно (рис. 6.1).

 

1а - транспортна вертикальна вібрація; 
1б - транспортна горизонтальна вібрація;

2 - транспортно-технологічна  вібрація (вертикальна і горизонтальна); 
3а - технологічна вібрація (вертикальна і горизонтальна) у виробничих приміщеннях з джерелами вібрації;

3б - теж саме у виробничих приміщеннях без джерел вібрації;

3в - теж саме у приміщеннях для розумової праці та адміністративно управлінських приміщеннях;

4 - локальна вібрація.

 

 

 

Рисунок 6.1 - Гігієнічне нормування вібрації

 

При перекладі на коливальну швидкість  характерних рівнів це відповідає:

132 дБ  - 20*10^-2 м/с

108 дБ  - 1,3*10^-2 м/с.

 

4 Загальні методи зниження вібрацій

 

Основними напрямами вирішення  проблеми віброзахисту є автоматизація виробництва і впровадження робототехніки.

У тих випадках, коли це зробити  не можливо, застосовують спеціальні методи, більшість з яких заснована на вирішенні диференційних рівнянь руху коливальних систем.

Ці рівняння дуже складні.

З точки зору охорони праці найбільший інтерес становлять вібрації поблизу резонансу. В цьому випадку завдання спрощується, оскільки машини і агрегати можна розглядати як коливальні системи з одним степенем вільності.

Розглянемо систему у вигляді зосередженої маси (m), що лежить на пружині, інший кінець пружини жорстко закріплений. Система, крім того, володіє тертям μ (рис 6.2).

У цій системі елементи пружності, маси і тертя відокремлені один від одного. Такі системи називаються системами із зосередженими параметрами. Для простоти аналізу вважатимемо, що на систему діє змінна збуджуюча сила, що змінюється за синусоїдальним законом:

 

F = F_m·sin t.   (6.5)

 

Рівняння коливального руху тіла m у цьому випадку має вигляд

mx^// + μx^/ + gx = Fm·sin t,            (6.6)

 

де m - маса системи, кг;

g - жорсткість пружини, яка чисельно  дорівнює силі, яку необхідно прикласти до пружини, щоб викликати її одиничну деформацію, Н/м;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.2 - Коливальна система з зосередженими параметрами.

 

х - потокове значення коливального зсуву  пружини, м;

x^/ = dx/dt - потокове значення коливальної швидкості, м/с;

x^// = dv/dt - потокове значення коливального прискорення м/с;

μ – стала, яка називається коефіцієнтом в'язкого опору, Нc/м;

Fm - амплітуда збуджуючої сили, Н;

ω - частота збуджуючої  сили, рад/с.

Рішення цього рівняння дає співвідношення між амплітудами коливальної швидкості Vm і збуджуючою силою Fm: