L'impact de la force de contact sur la précision de la mesure des vibrations main-bras
Lors de la mesure des vibrations sur une main, la mesure simultanée de la force de contact permet de vérifier si l’amplitude de la force est suffisamment rigide. La force de contact fournit également des informations sur le programme de travail de l’opérateur et peut aider à indiquer aux opérateurs s’ils utilisent une force excessive ou insuffisante lorsqu’ils travaillent avec des outils portatifs. En outre, en connaissant à la fois la valeur de la force de couplage et l’accélération des vibrations, il est possible de calculer la dose réelle d’énergie vibratoire qui a été transférée à la main.
Force de contact
Les forces de contact entre la main et la surface vibrante sont : la force de poussée/traction et la force de préhension. La nécessité d’une évaluation simultanée des forces de contact et des amplitudes vibratoires a été universellement reconnue et reflétée dans la norme ISO 15230.
Accéléromètres MEMS et capteurs de force de contact
Ces dernières années, les accéléromètres basés sur la technologie MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) sont devenus une alternative aux capteurs piézoélectriques. Les transducteurs MEMS sont largement utilisés dans les systèmes micromécaniques des industries automobile, informatique et audiovisuelle. La construction des MEMS consiste en une masse mobile de cartes résistantes placées sur un système de suspension mécanique de référence. À la suite d’un mouvement (comme une vibration), il y a un changement dans la capacité entre les plaques mobiles et fixes (qui forment des condensateurs).
L’avantage des MEMS réside dans leurs dimensions qui peuvent varier de quelques microns seulement à quelques millimètres, ce qui en fait une étape importante dans la miniaturisation. La liste des avantages des capteurs MEMS est longue et inclut leur faible coût, leur faible consommation d’énergie, leur petite taille, leur résistance aux chocs mécaniques, leur compatibilité électromagnétique totale et l’absence d’effet DC-shift.
L’introduction des accéléromètres MEMS a brisé la barrière créée par les accéléromètres piézoélectriques dans les mesures de vibrations main-bras. Tout d’abord, cela a réduit le coût du système complet. Deuxièmement, leur petite taille permettait d’être attaché aux mains humaines sans aucune distraction dans l’exécution des activités quotidiennes, même sous des gants anti-vibrations, donnant ainsi les véritables résultats de l’exposition aux vibrations. De plus, leur taille permettait l’installation d’un capteur de force de contact à côté de l’accéléromètre, permettant ainsi la mesure de la force de contact simultanément avec l’évaluation de l’accélération triaxiale. Cela a constitué une base solide pour la création de méthodes améliorées d’évaluation des vibrations main-bras et de nouvelles normes de mesure des vibrations main-bras.
Table des matières
Utilisation d'adaptateurs de vibrations main-bras conformément à la norme ISO 5349
Avant l’introduction des capteurs MEMS, les mesures de vibrations main-bras étaient effectuées avec des capteurs piézoélectriques généralement montés sur des outils. L’emplacement des capteurs n’a pas été choisi comme recommandé par l’ISO : au point de contact avec la main, mais, pour éviter tout dommage, au point le plus pratique et le plus sûr pour le capteur lui-même. L’introduction d’adaptateurs de vibrations main-bras MEMS dotés de capacités de mesure de force a résolu ce problème et a permis une mesure exactement au point de contact entre la main et la surface vibrante.
Parallèlement, l’utilisation d’adaptateurs de vibrations main-bras a soulevé la question de la précision des mesures de vibrations en fonction de la force de contact. Pour répondre à cette question, 240 mesures ont été effectuées à l’Institut national polonais de recherche de l’Institut central pour la protection du travail. L’impact de la force de couplage sur les amplitudes des vibrations a été évalué avec les vibromètres humains SV106 et les adaptateurs main-bras SV105AF de Svantek (les seuils de force de poussée lors des tests étaient : 0 N, 20 N, 50 N, 100 N).
Figure 1. Adaptateur de vibration main-bras avec accéléromètre MEMS tri-axial et capteur de force de contact installés
Étude : Mesure des vibrations main-bras et de la force de contact
L’étude a été réalisée avec deux SV 106, les indicateurs de niveau de vibrations humaines de SVANTEK répondent aux exigences de la norme ISO 8041:2005 et sont conçus pour effectuer des mesures conformément aux normes ISO 5349-1 et ISO 5349-2, avec des adaptateurs main-bras spéciaux SV 105AF. montés sur les poignées des excitateurs de vibrations. Pendant la mesure, l’instrument était alimenté par batterie. Deux unités SV 105AF, marquées comme adaptateurs main-bras A et B, ont été fixées avec du ruban adhésif et de la cire d’abeille pour garantir la répétabilité des mesures. L’un des adaptateurs (A) a été utilisé pour la mesure avec l’opérateur, tandis que le second (B) est la référence. Les deux points de mesure étaient situés sur la poignée de test. Lors des mesures, le point A était situé au point de contact de la main de l’opérateur avec la poignée. Le point B a été situé en dessous de la zone de contact de la main avec la poignée de test. A titre de référence, l’accéléromètre Brüel & Kjaer 4374, nr. NA2/11, et le PULSE Brüel & Kjaer 3560C, nr. L’analyseur NA2/84 a été utilisé. L’accéléromètre de référence a également été fixé sur la poignée.
Instruments de mesure
Instrumentation utilisée pour générer et contrôler les signaux de test :
excitateur de vibrations, Ling Dynamic Systems V721, nr id. NA2/30/31,
accéléromètre de vibration, Brüel & Kjaer 4374, nr id. NA2/11,
amplificateur de puissance, Ling Dynamic Systems PA 2000, Nr id. NA2/26,
générateur de signaux Brüel & Kjaer 1054, nr id. NA2/25,
Numéro d’identification de l’ordinateur. NA2/63,
analyseur PULSE, Brüel & Kjaer 3560C, Nr id. NA2/84.
Instrumentation utilisée pour les mesures de force :
dynamomètre, PI-W Movir MSZN-1, Nr id. NA2/32,
plateforme force de poussée, CIOP PIB, Nr id. NA2/34,
poignée de test, CIOP PIB, Nr id. NA2/33,
capteur optique, Capteur, CW 18/80, Nr id. NA2/43
Figure 2a. Adaptateur de vibration main-bras avec accéléromètre MEMS tri-axial et capteur de force de contact installés
Figure 2b. SV 106 Vibromètres
Mesure de la force de contact
Au cours de l’expérience, la force de poussée a été mesurée à l’aide d’une plate-forme spéciale à l’Institut national polonais de recherche de l’Institut central pour la protection du travail, à l’aide du compteur PI-W Movir MSZN-1 et du capteur CW 18/80. Les seuils de force de poussée lors des tests étaient : 0 N, 20 N, 50 N, 100 N.
Figure 1. Exemple de mesure des forces de contact donnée par la norme ISO 15230
L’objectif et la méthode de mesure
Le but de l’expérience était d’effectuer des mesures d’accélération des vibrations sur une poignée d’essai à l’aide des compteurs SV 106 décrits en p. 2.1 en présence des différentes forces de poussée appliquées par l’opérateur et évaluer les effets de ces forces sur les résultats vibratoires.
La méthode de l’étude consistait à mesurer l’accélération vibratoire pondérée dans la direction parallèle aux vibrations générées sur une poignée d’essai avec l’utilisation simultanée de deux ensembles de mesures décrits à la p. 2.1. La vibration générée sur une poignée était conforme à la norme ISO 10819:2013.
L’adaptateur A a été testé sous des forces de poussée définies appliquées par < 10 opérateurs différents, tandis que l’adaptateur B a été utilisé comme référence sans utiliser de forces de poussée.
Deux signaux de test ont été utilisés dans l’étude :
Signal de vibration 1 : un signal simulé d’accélérations de vibrations générées par le marteau vibrant,
Signal de vibration 2 : un signal simulé des accélérations de vibration générées par la meuleuse d’angle
Les mesures des vibrations main-bras ont été effectuées conformément à la norme ISO 5349-1:2001 Vibrations mécaniques — Mesure et évaluation de l’exposition humaine aux vibrations transmises par la main — Partie 1 : Exigences générales et à la norme ISO 5349-2:2001 Vibrations mécaniques — Mesure et évaluation de l’exposition humaine aux vibrations transmises par la main — Partie 2 : Conseils pratiques pour la mesure sur le lieu de travail.
Photo 3. Position de l’opérateur sur la plateforme lors des mesures.
Résultats de mesure
Le graphique ci-dessous présente le rapport des résultats moyennés pour 30 mesures pour chaque seuil de force de contact au point A par rapport aux résultats au point B ainsi que l’écart type. Les résultats du signal de vibration 1 sont marqués en bleu et le signal de vibration 2 en rouge.
Graphique 1. Le rapport des valeurs de vibration mesurées avec la force appliquée par rapport aux valeurs de référence sans force appliquée
L'impact de la force de contact sur les valeurs de vibration mesurées.
Sur la base de l’étude menée, il a été défini que les différences entre les accélérations vibratoires mesurées aux points A et B pour des forces de poussée comprises entre 0 et 100 N ne dépassent pas 1,2 %, ce qui signifie que l’effet de la force de poussée appliquée n’est pas pertinent pour les valeurs de vibration mesurées.
Le seuil minimum de force de contact requis pour des mesures précises de l'accélération des vibrations
Des mesures supplémentaires avec des adaptateurs main-bras sans utilisation de cire d’abeille ou de ruban de montage ont été effectuées pour évaluer l’effet des changements dans le couplage de l’adaptateur à la poignée de test. Il a été constaté que pour des seuils d’effort inférieurs à 20 N, il fallait s’assurer que le couplage entre l’adaptateur et la poignée d’essai était suffisant pour éviter les ruptures de contact continu lors des mesures.
Conclusion
L’étude menée prouve que l’effet des modifications des seuils de force de contact appliqués par l’opérateur n’est pas pertinent sur les valeurs d’accélération vibratoire mesurées. Cette hypothèse est valable pour des forces supérieures au seuil de 20 N, en dessous duquel il faut s’assurer du bon couplage entre l’adaptateur main-bras et la surface vibrante. Si le niveau de force descend en dessous de 20 N, l’incertitude liée au couplage augmente rapidement. Cependant, il faut noter qu’en pratique, pour les outils générant de fortes amplitudes de vibration, le seuil de 20 N peut ne pas garantir un couplage parfait, il convient donc d’établir des niveaux de seuil plus élevés.
Au moment de l’introduction de la norme ISO 5349, il était pratiquement impossible d’effectuer des mesures de force avec des mesures de vibrations triaxiales en raison des limitations du matériel.
À l’heure actuelle, de très petits transducteurs de force peuvent être installés juste à côté de l’accéléromètre de vibration basé sur la technologie MEMS sous la forme d’un adaptateur main-bras, comme spécifié par les normes ISO 5349-2 et ISO 10819. Par rapport à la technique de montage d’un capteur sur un outil, l’utilisation de la force de contact permet de définir l’exposition réelle aux vibrations, tandis que le montage sur un outil comporte l’incertitude d’inclure dans les tests les périodes où il n’y a pas eu de contact avec la main de l’opérateur.
Comme il a été prouvé, l’utilisation d’adaptateurs main-bras offre la même précision des amplitudes de vibration que dans le cas de capteurs de vibrations piézoélectriques standards montés sur un outil, mais offre en plus l’avantage du meilleur emplacement possible du point de mesure— exactement au point de transmission du signal de vibration à la main d’un opérateur et fournit des informations sur l’exposition réelle à la vibration.
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