Источники, параметры, действие вибрации
Под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при которой происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.
Источниками вибраций служат ручные механические инструменты (дрели, гайковерты, электро- и бензомоторные пилы, шлифовальные машины и пр.), а также оборудование – швейные, трикотажные машины, дерево- и металлообрабатывающие станки; специальные вибрационные установки, например, для уплотнения бетонных смесей и пр., транспортные средства (наземные, водные, воздушные).
В жилых помещениях вибрация генерируется подземным и наземным транспортом, промышленными предприятиями, внутридомовым оборудованием (лифты), техническим оборудованием встроенных предприятий торговли (холодильное оборудование) и коммунально-бытового обслуживания. Ощутимая вибрация в жилых домах наблюдается при строительных работах, проводимых вблизи жилых зданий (забивка свай, демонтаж и ломка зданий, дорожные работы и пр.).
В зависимости от способа возбуждения механические колебания бывают свободными и вынужденными.
Свободные колебания возникают под действием силы инерции, равной произведению массы на ускорение, силы внутреннего трения, пропорциональной скорости колебания, и силы упругости, пропорциональной величине отклонения от равновесия. Любая система, выведенная из равновесия путем мгновенного приложения нагрузки, совершает свободные колебания, которым свойственны определенные периоды и частота.
Вынужденные колебания возникают под действием внешних периодических возмущающих сил и всегда сопровождаются возникновением собственных колебаний, которые быстро затухают. Наиболее упрощенный вид вынужденных колебаний – синусоидальные колебания, или гармонические. По мере приближения частоты вынужденных колебаний к частоте собственных наступает явление резонанса, сопровождающееся резким увеличением амплитуды колебаний системы.
Причинами возбуждения вибраций являются возникающие при работе машин и механизмов неуравновешенные силовые воздействия из-за возвратно-поступательных движений; наличие дисбаланса масс (несовпадение центра масс и инерции) из-за неоднородности материала вращающегося тела, из-за неравномерного нагрева при горячих и холодных посадках; увеличение люфтов и зазоров при износе.
Вибрация приводит к преждевременному износу деталей и износу машин и механизмов, различного рода нарушениям и авариям.
Физические характеристики вибраций. Основные параметры вибраций: частота f, Гц; амплитуда виброперемещения А, м; виброскорость V, м/с; виброускорение а, м/с2; период колебаний Т, с. Эти параметры связаны между собой следующими зависимостями:
V = ω . A; a = ω. V = ω2 . A; ω = 2π . f; f = 1/Т,
где ω – угловая скорость колебаний, рад/с.
Так как параметры, характеризующие вибрацию, могут меняться в очень широких пределах, то так же, как при шуме, их удобно оценивать в логарифмических уровнях, дБ:
LA = 20 lg А/А0 – уровень вибросмещения,
LV = 20 lg V/V0 – уровень виброскорости,
La = 20 lg a/a0 – уровень виброускорения,
где А0 = 8 . 10-2 м, V0 = 5 . 10-8 м/с, а0 = 3 . 10-4 м/с2 – пороговые значения, стандартизованные в международном масштабе.
Действие вибрации на организм человека. По действию вибрация делится на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную (местную), передающуюся через верхние конечности и плечевой пояс. При воздействии общей вибрации наблюдается нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению подвижности.
При длительном действии вибрации возможно возникновение виброболезни – стойкого нарушения физиологических функций организма, обусловленного воздействием вибрации на центральную нервную систему. Симптомы этой болезни – общее возбуждение (или торможение), утомление, слабость, ощущение тряски внутренних органов, сердцебиение, тошнота, головные боли и даже судороги. В особо тяжелых случаях наблюдается атрофия мышц, поражение мозга, вестибулярного и костно-суставного аппаратов, эпилепсия. Излечение виброболезни возможно лишь на ранних стадиях ее развития.
Особенно вредны общие вибрации с частотами, близкими к собственным частотам организма и его органов, лежащие в диапазоне 6-9 Гц. В случае совпадения частот возникают резонансные явления, которые могут привести к разрыву внутренних органов. При частоте свыше 20 Гц вибрация сопровождается возникновением шума.
Местная вибрация вызывает спазмы сосудов, ухудшение кровообращения в конечностях, нарушение чувствительности кожи, способствует отложению солей в суставах кистей рук, стоп нижних конечностей. При этом, как и при общей вибрации, нарушается деятельность центральной нервной системы.
Полезная вибрация. Установлено, что в некоторых случаях вибрация не только опасна, но и полезна для человеческого организма. Учеными Каунасского политехнического института во время исследования системы «человек – виброакустическое поле – технический объект» было установлено, что человеческое тело не только воспринимает вибрацию и шум, но и как бы накапливает их, в свою очередь, излучает. Ученые разработали систему регистрации и анализа виброаккустических характеристик мышечной ткани. Оказалось, что они меняются в зависимости от состояния организма, т. е. мышечный тонус, улавливаемый приборами, у здорового и больного человека неодинаков. Так, например, при поражении периферической нервной системы основные резонансные характеристики на конечностях уменьшаются: на ногах – с 32 до 16 Гц, на руках – с 72 до 52 Гц. Жалобы таких больных и традиционные врачебные обследования, как правило, подтверждает «вибродиагноз».
Помогает вибрация и в снятии усталости. Главное – точно подобрать частоты и верно дозировать продолжительность воздействия колебаний. Литовские инженеры вместе с медиками создали для этого конструкцию виброплатформы. Широкая массивная плита, укрепленная на специальных пружинах – амортизаторах, вибрирует в зависимости от подаваемых к ней по команде врача виброимпульсов. Частота колебаний обычно находится в пределах 100-150 Гц. Постояв на такой платформе всего несколько минут, человек ощущает прилив сил, бодрость. Кровяное давление, повысившееся в результате переутомления, быстро приходит к норме.
Еще одна оригинальная конструкция – виброкровать. Это простое устройство призвано облегчить жизнь больных с застойными явлениями в легких, в первую очередь при бронхиальной астме. В течение 10-12 мин грудная клетка подвергается вибрации с частотой в 30-45 Гц. Всего за несколько сеансов, как правило, удается очистить легкие и добиться значительного улучшения.
Нормирование вибраций
Различают гигиеническое и техническое нормирование.
Гигиеническое нормирование предусматривает ограничение параметров вибраций исходя из физиологических требований, исключающих возможность виброболезни.
Техническое нормирование предусматривает ограничение параметров вибрации с учетом не только физиологических требований, но и технически достижимого на сегодняшний день и для данного вида механизма уровня вибрации.
Общая вибрация делится на транспортную, транспортно-технологическую и технологическую.
Гигиеническое нормирование производственной вибрации ведется согласно СН 2.2.4/2.1.8.566-96 и ГОСТ 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования». Документы устанавливают классификацию вибраций, методы гигиенической оценки, нормируемые параметры, режимы труда лиц виброопасных профессий, подвергающихся действию локальной вибрации, требования к обеспечению вибробезопасности и к вибрационным характеристикам машин.
При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются среднеквадратичные значения виброскорости (и их логарифмические уровни) или виброускорения для локальных вибраций – в октавных полосах, а для общей вибрации – в октавных или третьоктавных полосах. Допускается интегральная оценка вибрации во всем частотном диапазоне нормируемого параметра, а также по дозе вибрации с учетом времени воздействия.
Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости (vt), 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 vt для локальной вибрации не должно превышать значений, определяемых для Т=30 мин, а для общей вибрации – при Т=10 мин.
Для транспортной вибрации отдельно нормируются вертикальные и горизонтальные составляющие колебательного движения.
Для технологической вибрации осуществляется отдельное нормирование вибрации на рабочих местах с источниками вибрации, в помещениях без источника вибрации и в помещениях для умственного труда и административного управления.