Comparative analysis of Russian and foreign regulatory requirements for vibration protection of a tractor operator

Full Text

1. Картина вибрационных воздействий на оператора Во время эксплуатации колесных и гусеничных машин (КГМ) оператор постоянно подвергается комплексному воздействию вибрационных нагрузок с широким спектром амплитуд и частот этих воздействий. Их совокупность формирует сложную картину вибрационной нагруженности оператора. К примеру, низкочастотные колебания и вибрации передаются во время прикосновений через поверхности контакта частей тела оператора с различными устройствами в кабине, с рычагами и педалями управления, с полом кабины, а также с подрессоренным сиденьем в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При движении КГМ частота взаимодействия опорной поверхности и ходовой системы, возмущения от которого передаются на остов и далее через системы подрессоривания кабины и сиденья на человека-оператора, определяется скоростью движения и расстоянием между соседними неровностями. Чем выше скорость движения КГМ и меньше шаг неровностей, тем выше частота передаваемых колебаний. Показано, что наиболее вероятностным частотным диапазоном передаваемых от неровностей возмущений является диапазон от 1 Гц до 4 Гц [1]. Большое значение имеют также форма и высота неровностей, так как воздействия от неровностей с относительно малой высотой попросту поглощаются движителем трактора и не ощущаются человеком. Известно, что вертикальные колебания, передающиеся во время движения через раму полу кабины КГМ и закрепленному на нем сиденью, являются наиболее интенсивными по сравнению с горизонтальными и угловыми колебаниями, воздействующими на сиденье [2, 3, 16]. Также установлено, что человеческий организм воспринимает колебания различной частоты по-разному. Так, низко- и среднечастотные колебания (до 16…18 Гц) воспринимаются отдельными циклами. С повышением частоты как отдельные циклы они уже не воспринимаются. Кроме того, установлено, что интенсивность восприятия пропорциональна ускорениям при колебаниях с частотой до 5 Гц, скорости - от 5 Гц до 40 Гц, амплитуде перемещений - более 40 Гц [3]. С учетом того обстоятельства, что тело человека можно рассматривать как сложную динамическую колебательную систему, каждый составной элемент которой обладает своей частотой собственных колебаний (табл. 1), анализ картины вибронагруженности оператора представляется еще более затруднительным [4, 5, 6, 8]. Таблица 1 Частоты собственных колебаний частей тела человека Table 1. Frequencies of natural vibrations of parts of the human body Части тела человека Диапазон частот собственных колебаний, Гц Голова 12…27 Горло 6…27 Грудная клетка 2…12 Ноги и руки 2…8 Поясничная часть позвоночника 4…14 Живот 4…12 При длительных воздействиях вибронагрузок в соответствии с [4] возможны следующие вредные последствия для здоровья человека (табл. 2). Таблица 2 Последствия для здоровья человека в зависимости от частоты воздействия колебаний Table 2. Human health effects depending on the frequency of vibration exposure Частота воздействия, Гц Последствия 3…5 Вредно отражаются на вестибулярном аппарате, сердечно-сосудистой системе и вызывают синдром укачивания. 1,5…11 Вызывают расстройства вследствие резонансных колебаний головы, желудка, кишечника и в конечном счете всего тела. 11…45 Ухудшают зрение, способствуют возникновению тошноты, рвоты, нарушению нормальной деятельности других органов. ≥ 45 Вызывают повреждение сосудов головного мозга, расстройство высшей нервной деятельности и циркуляции крови с последующим развитием вибрационной болезни. 2. Нормирование вибронагруженности рабочего места оператора Нормирование параметров общей вибрации на рабочих местах операторов тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин в нашей стране происходит согласно СН 2.2.4/2.1.8.566-96, ГОСТ 12.1.012-2004 и ГОСТ 12.2.019-2015 [7, 9, 10]. В них активно используется для оценки метод спектрального анализа. В качестве критериев оценки выделяются среднеквадратические значения виброускорений за определенный период воздействия в каждой октавной (третьоктавной) полосе частот. Они сравниваются на предмет соответствия с регламентируемыми значениями из стандарта. На международном уровне в качестве объекта соответствия принят стандарт ISO 2631-1: 1997 (рис. 1), который устанавливает требования вертикальной и горизонтальной вибрации с определенным временем воздействия на человека, от 1 мин до 24 часов, в диапазоне частот от 1 Гц до 80 Гц [11]. Чем больше период воздействия вибрации, тем выше требования к виброзащите оператора. Для вертикальных виброускорений (рис. 1, а) наиболее жесткие нормы охватывают диапазон от 4 Гц до 8 Гц, тогда как для горизонтальных (рис. 1, б) - от 1 Гц до 2 Гц. Причем для последних упомянутые нормы выше по величине. Это связано в первую очередь с необходимостью обеспечения повышенной защиты органов и всего тела человека от горизонтальных резонансных колебаний в процессе работы. Рис. 1. Пределы воздействия вертикальной (а) и горизонтальной (б) вибрации по ISO 2631-1: 1997 Fig. 1. Exposure limits for vertical (a) and horizontal (b) vibration according to ISO 2631-1: 1997 Иногда дополнительно уже в качестве интегральных критериев виброактивности определяются корректированные и эквивалентные значения виброускорений [7, 10]. Корректированное по частоте виброускорение (1), позволяет учитывать неоднозначность восприятия человеком широкополосного вибрационного спектра воздействий: (1) где - среднеквадратическое значение виброускорения в i-ой полосе частот, м/с2; n - число частотных полос; - весовой коэффициент для i-ой полосы частот (табл. 3). Возможно определять как корректированные виброускорения, действующие в отдельных направлениях (табл. 3), так и обобщенное значение, учитывающее все компоненты трех основных направлений действия (вертикального, горизонтально-продольного, горизонтально-поперечного) и представленное в виде геометрической суммы [10]. Эквивалентные виброускорения рассчитываются как корректированные значения, но с учетом 8-ми часового периода воздействий [7, 10, 13]. Для оценки общей вибрации интегральные значения эквивалентных ускорений на подушке сиденья в вертикальном направлении согласно ГОСТ 12.1.012-2004 для самоходных машин должны находиться в пределах 0,25…0,56 м/с2 [7]. Согласно ISO 2631-1 [11], для 8-часового постоянного воздействия общей вибрации риск нанесения ущерба здоровью оператора определяется по диапазону интегральных значений вертикальных виброускорений на подушке сиденья: · < 0,45 м/с2 - низкий уровень риска; · 0,45…0,9 м/с2 - средний уровень риска; · > 0,9 м/с2 - высокий уровень риска. При выборе метода и условий проведения измерений вибраций на подушке сиденья оператора сельскохозяйственного колесного трактора учитывается ГОСТ 31323-2006 [12]. Применительно к гусеничным тракторам подобных действующих национальных стандартов пока нет. Таблица 3 Весовой коэффициент общей вертикальной вибрации в третьоктавных полосах частот Table 3. Weighting factor of total vertical vibration in one-third octave frequency bands Среднегеометрическая частота, Гц Весовой коэффициент, k 1 0,482 1,25 0,484 1,6 0,494 2 0,531 2,5 0,631 3,15 0,804 4 0,967 5 1,039 6,3 1,054 8 1,036 10 0,988 12,5 0,902 16 0,768 20 0,636 25 0,513 31,5 0,405 40 0,314 50 0,246 63 0,186 80 0,132 В сведениях ФГБУ «ВНИИ охраны и экономики труда» Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации представлены нормативные показатели уровней вибраций и шума на рабочих местах в различных странах мира [14]. Предельно допустимый уровень (ПДУ) локальной вибрации, передающейся оператору КГМ через контакт частей его тела с рычагами, педалями и приборами управления, в разных странах мира сильно отличается (рис. 2). Рис. 2. ПДУ локальной вибрации в разных странах мира Fig. 2. MPL for local vibration in different countries of the world Распределение ПДУ общей вибрации на рабочем месте по разным странам мира также имеет неодинаковый характер (рис. 3). Рис. 3. ПДУ общей вибрации в различных странах мира Fig. 3. MPL for general vibration in different countries of the world 3. Сравнительный анализ российских и зарубежных нормативных требований Анализ показывает, что наиболее жесткие требования по уровню локальной вибрации установлены в Российской Федерации. Ими предусматривается четкая регламентация по виду выполняемых работ, длительности, величине, направлению действующих нагрузок и т.д. Относительно мягких требований придерживаются в большинстве стран Европы, кроме Польши, где ПДУ регулируется с учетом возраста, пола и состояния человека [14]. По уровню общей вибрации самые высокие требования предъявляются также в Российской Федерации. В странах Европы показатели ПДУ несколько выше, но их превышение иногда допускается только в ограниченном временном интервале воздействия. В США, в том числе и для определения ПДУ общей вибрации, введена специальная шкала ощущения дискомфорта, ориентируясь на которую, предпринимают соответствующие меры по борьбе с негативным воздействием механических колебаний и вибраций [14]. Подходы к установлению ПДУ вибраций и шума в России и в других государствах также сильно отличаются. В зарубежных странах наряду с медико-биологическими критериями установления стандартов используются социально-экономические и технологические обоснования. Кроме того, в нормативных документах большинства иностранных государств присутствуют два, а иногда и три показателя: пороговые (верхнее и нижнее) значения и ПДУ. При достижении порогового значения обычно начинаются первичные меры по противодействию вредным факторам [14, 15].

About the authors

Z. A Godzhayev

Federal Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
DSc in Engineering, Corresponding member of the Russian Academy of Sciences Moscow, Russia

T. Z Godzhayev

Federal Agroengineering Center VIM

Moscow, Russia

M. V Lyashenko

Volgograd State Technical University

DSc in Engineering Volgograd, Russia

V. V Shekhovtsov

Volgograd State Technical University

Email: shehovtsov@vstu.ru
DSc in Engineering Volgograd, Russia

A. I Iskaliyev

Volgograd State Technical University

PhD in Engineering Volgograd, Russia

References

Supplementary files