Вибрация. 
Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность). Часть 1

Вибрация — это малые механические колебания, возникающие в упругих телах. В зависимости от способа передачи колебаний человеку вибрацию подразделяют на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передающуюся через руки человека. Вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека, на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, также относится к локальной.

Общую вибрацию рассматривают в частотном диапазоне со среднегеометрическими частотами 1—63 Гц, а локальную — 8—1000 Гц. По направлению действия общую вибрацию подразделяют на вертикальную, направленную перпендикулярно опорной поверхности, и горизонтальную, действующую в плоскости, параллельной опорной поверхности.

Вибрация оказывает на организм человека разноплановое действие. Оно зависит от спектра частот направления, места приложения и продолжительности воздействия вибрации, а также от индивидуальных особенностей человека. Например, вибрация с частотами ниже 1 Гц вызывает укачивание (морскую болезнь), а слабая гармоническая вибрация с частотой 1—2 Гц вызывает сонливое состояние. Частоты вибрации и соответствующие вредные действия на человека представлены в табл. 5.3.

Таблица 53

Симптомы и частотные диапазоны вредного воздействия вибрации на человека.

На рис. 5.2 приведена модель тела человека, состоящая из масс, пружин и демпферов. В такой модели отдельные части тела характеризуются собственными частотами колебаний. При совпадении частоты возбуждения системы с ее собственной частотой возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний резко возрастает. Так, резонанс органов брюшной полости наблюдается при частотах 4—8 Гц, голова оказывается в резонансе на частоте 25 Гц, а глазные яблоки — на частоте 50 Гц. Входящие в резонанс органы нередко вызывают болезненные ощущения, связанные, в част;

Рис. 5.2. Модель тела человека и резонансы отдельных.

его частей ности, с растягиванием соединительных образований, поддерживающих вибрирующий орган.

Воздействие вибрации на человека имеет такие негативные последствия, что это послужило основанием для выделения вибрационной болезни в качестве самостоятельного заболевания. Симптомы вибрационной болезни многогранны и проявляются в нарушении работы сердечно-сосудистой и нервной систем, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций опорно-двигательного аппарата.

Колебания сидящего человека на частотах 8—10 Гц являются причиной широкого распространения заболеваний позвоночника. Так, у водителей-профессионалов автомобилей, трактористов, пилотов самолетов грыжи межпозвоночных дисков встречаются в несколько раз чаще, чем у лиц сидячих профессий, не подвергающихся вибрации.

При работе с ручными машинами на тело человека через руки передается локальная вибрация. Она может вызывать в организме человека эффекты общего характера — типа головной боли, тошноты и т. д., но главное — такая вибрация воздействует на процесс кровообращения и нервные окончания в пальцах рук. Это в свою очередь вызывает побеление пальцев, потерю их чувствительности, онемение, ощущение покалывания. Эти явления усиливаются на холоде, но на первых порах относительно быстро проходят. При длительном воздействии вибрации патология может стать необратимой и приводить к необходимости смены профессии. В особо запущенных случаях может иметь место даже гангрена.

Сроки появления симптомов вибрационной болезни зависят от уровня и времени воздействия вибрации в течение рабочего дня. Так, у формовщиков, бурильщиков, рихтовщиков заболевание начинает развиваться через 8—12 лет работы.

Воздействие ручных машин на человека зависит от многих факторов: например, от типа машины (ударные машины более опасны, чем машины вращательного типа), твердости обрабатываемого материала, направления вибрации, силы обхвата инструмента. Вредное воздействие вибрации усугубляется при мышечной нагрузке, неблагоприятных условиях микроклимата (пониженная температура и повышенная влажность).

Долю заболевших вибрационной болезнью в зависимости от профессии и стажа работы характеризуют данные Ю. М. Васильева (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Доля заболевших вибрационной болезнью,.

%, в зависимости от профессии.

С проблемой вибрации сталкиваются и в быту, когда, например, жилой дом располагается у железной дороги, автострады или когда в его подвальных помещениях размещается какое-либо технологическое оборудование.

Механизм, с помощью которого движущийся поезд (рис. 5.3) возбуждает вибрации грунта, основан на возникновении динамических сил между колесом и рельсом, из-за неровностей на поверхностях качения. В интервале эксплуатационной скорости движения поездов от 30 до 110 км/ч спектр вибрации, передаваемой грунту, сосредоточен в частотном диапазоне 10−250 Гц.

Простейшим видом колебательных процессов являются гармонические колебания (рис. 5.4, а). При этом величина.

Рис. 5.3. Распространение вибраций от поезда метрополитена.

по грунту.

w, представляющая собой параметр колебаний, изменяется во времени t по гармоническому закону.

где A_w, ф — амплитуда и фаза колебаний; со — круговая частота, рад/с (ю = 2л/, здесь/= 1 /Т— циклическая частота, Гц; Т— период колебаний).

В качестве параметров, оценивающих вибрацию, могут служить виброперемещение и (м) или его производные: виброскорость v (м/с) и виброускорение а (м/с²). Если виброскорость изменяется по гармоническому закону с амплитудой А, то этому закону будут подчиняться и два других параметра. При этом амплитуды виброускорения А_а и виброперемещения А_и связаны с амплитудой A_v соотношениями

Рис. 5.4. Примеры временных колебательных процессов:

а — гармонические колебания; б — случайные колебания При анализе вибрации обычно рассматривают не амплитудные, а средние квадратичные значения, определяемые усреднением, но времени величины w (t) на отрезке Т

Так как значения параметров вибрации могут изменяться в широких пределах, то на практике часто используются логарифмические уровни вибрации. Логарифмическая единица называется бел (Б), а ее десятая часть — децибел (дБ). При этом логарифмический уровень вибрации (дБ) определяется по формуле.

где w — среднее квадратичное значение рассматриваемого параметра вибрации; w₀ — пороговое значение соответствующего параметра.

Для виброскорости пороговое значение v₀ = 510 ⁸ м/с. Пороговые значения для виброускорения а₀ и виброперемещения и₀ равны.

При анализе вибрации с широким спектром целесообразно разбить ось частот на отрезки (полосы частот) и вычислять уровни вибраций для каждой такой полосы. С этой целью используются специальные фильтры, полоса пропускания которых определяется граничными частотами/¹¹ и/*. Как правило, это октавные фильтры, для которых отношение f /f^l = 2, или третьоктавные фильтры с полосой в три раза более узкой.

Для октавных полос получены следующие значения средних геометрических частот:/_сг= 1, 2,4,8,16,31,5, 63,125, 250, 500, 1000 Гц. Верхние и нижние частоты октавных полос определяются следующими соотношениями:/¹ = /_cr/V2 и/^в =.

= Щ-г

Спектры случайных колебаний показаны на рис. 5.4, б. На практике обычно имеют дело со смешанной вибрацией, содержащей как периодические, так и случайные компоненты.