진동 위험 평가 방법 개선

ISO 5349-1 및 ISO 5349-2에 설명된 측정 방법에는 높은 수준의 불확실성(±20%~40%)이 존재합니다. 이러한 불확실성 수준을 낮출 수 있는 유일한 올바른 솔루션은 일일 진동 노출 측정기(DVEM)를 사용하는 것입니다. 소음 선량계와 마찬가지로 일일 진동 노출 측정기는 착용할 수 있을 정도로 작아야 하며 정상적인 작업 활동을 방해하지 않아야 합니다. 이러한 소형 기기의 개발은 내충격성, DC 시프트 효과 없음, 초저전력, DC까지 주파수 응답 등 많은 장점을 가진 MEMS 가속도계의 신기술 덕분에 가능해졌습니다. MEMS의 도입은 무게와 치수의 기술적 장벽을 허물고 전체 시스템의 비용을 획기적으로 절감할 수 있었습니다.

ISO 5349-2에서는 작업자의 손이 진동하는 표면에 처음 접촉하는 시점과 접촉이 끊어지는 시점을 감지하기 위해 접촉력 측정을 사용해야 한다고 명시하고 있습니다. 새로운 초소형 MEMS 센서의 개발로 진동 가속도계 바로 옆에 힘 센서를 배치할 수 있게 되었습니다. 이 솔루션을 통해 사용자는 손이 진동하는 표면과 접촉하는 기간에 대한 정보를 자동으로 얻고 하루 총 접촉 시간을 평가할 수 있습니다.

손-팔 진동의 특성

기계적 진동 신호는 일반적으로 복잡하며 장치의 구조, 구조적 결함 또는 사용의 결과일 수 있습니다. 사람이 진동 기계의 표면과 접촉하는 동안 기계적 진동이 인체에 직접 전달되어 개별 조직 또는 전신에 영향을 미칩니다. 사람에게 영향을 미치는 진동을 인체 진동이라고 하며 전신 진동과 손-팔 진동으로 나뉩니다.

실제로 가장 위험한 것은 손-팔 진동으로 신경계, 혈관계(심혈관계), 골관절계에 병적인 변화를 일으킬 수 있습니다. 손-팔 진동은 상지의 한쪽 또는 양쪽이 진동하는 표면과 접촉할 때 발생합니다. 이러한 진동의 일반적인 원인은 차량 제어용 스티어링 휠과 레버 등 진동을 발생시키는 모든 종류의 수공구입니다. 손-팔 진동의 특징은 시간에 따른 가변성입니다 (Griffin, 1990). 따라서 측정 결과는 측정이 이루어지는 시점에 따라 달라지는 경우가 많습니다. 이는 이러한 종류의 진동을 설명하는 테스트 방법과 측정을 모두 정의하는 매우 중요한 특징입니다. 이러한 시간의 가변성은 진동에 대한 신체의 반응을 결정하는 또 다른 중요한 요소인 노출 시간(진동에 노출되는 시간)에 영향을 미칩니다.

흰 손가락 질환

기계적 진동과의 접촉으로 인한 인체의 변화는 “진동 증후군”(또는 “진동 질환”)이라는 직업병으로 인식되고 있습니다. 가장 흔한 형태의 진동 질환은 손-팔 진동으로 인해 발생하며 손가락의 혈액 순환 저하를 특징으로하는 혈관 장애의 형태로 발생합니다 (Kolarzyk, 2008). 증상은 하나 또는 여러 손가락의 손가락 끝이 희미해지는 것으로 나타나며, 흔히 ‘흰 손가락 질환’으로 명명됩니다.

오늘날 의학은 여전히 흰 손가락 질환을 치료할 수 없기 때문에 이 증후군의 치료는 대증요법입니다. 따라서 진동 질환을 피하는 유일한 효과적인 방법은 예방입니다. 근로자 보호 의무는 고용주에게 주어졌지만, 이 의무를 효과적으로 이행할 수 있는 방법을 찾는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 위험한 작업에서 근로자를 교대하거나 전동 공구를 교체하는 등의 일반적인 예방 방법은 인력 부족이나 예산의 한계로 인해 불가능한 경우가 많기 때문입니다. 진동 방지 장갑 역시 현장에서 실제 효율성을 측정할 수 있는 방법이 없기 때문에 이 문제를 해결하지 못합니다. 이러한 심각한 이유로 인해 보다 효과적인 예방 방법이 기대되고 기다리고 있습니다.

사진 1. 진동 질환으로 인한 하얀 손가락

인체 진동 측정기

현재 측정은 진동 가속도 센서가 장착된‘진동 선량계‘라고 불리는 진동 레벨 미터를 사용하여 이루어집니다. 모든 진동 측정기가 인간에게 영향을 미치는 진동을 측정하는 데 적합한 것은 아니기 때문에 ISO 8041은 인간 진동 측정기의 매개 변수를 정의하여 선택 과정에 도움을 줍니다. ISO 8041에 따르면, 진동 측정기는 다음과 같은 특정 최소 요구 사항을 충족해야 합니다:

측정 기간 동안의 가중 평균 가속도 값 표시,
측정 기간 동안의 대역 제한 평균 가속도 값 표시,
측정 시간 표시,
센서의 감도를 입력하는 옵션,
피크 값 측정 옵션,
주파수 가중 필터 중 하나를 사용한 측정 (Wb, Wc, Wd, We, Wf, Wh, Wj, Wk 및 Wm),
필요한 측정 범위,
측정 범위의 선형성 오차가 6%를 넘지 않아야 합니다,
측정 범위의 왜곡-초과(과부하) 표시.

실제로 대부분의 인체 진동 측정기는 압전 재료의 기계적 응력이 벽에 작용하는 가속도에 비례하는 전하를 유발한다는 사실에 기반하여 작동하는 압전 가속도계를 사용합니다. 안타깝게도 압전 센서의 주요 단점으로는 취약성, 높은 가격, DC 시프트 효과 문제가 있습니다. 예를 들어 감쇠 시스템이 없는 타악기와 같이 높은 주파수에서 매우 높은 가속도에 압전 변환기(트랜스듀서)를 노출하면 진동 신호가 왜곡되어 진동 신호에 잘못된 저주파 성분이 나타나는 DC 시프트가 발생할 수 있습니다. DC 시프트 왜곡은 변환기 (트랜스듀서)에서 발생하며 변환기에 비해 너무 큰 과도 현상의 여기로 인해 압전 시스템에 기계적으로 과부하가 걸리기 때문에 발생합니다. 따라서 DC 시프트 징후가 보이는 측정값은 모두 무시해야 합니다(ISO 5349-2에 따름).

압전 가속도계의 단점은 측정 방법 개발에 장벽을 만들고 어렵고 비싸게 만들어 진동 법 집행에서 인간 진동계 대신 시계(공구 타이머)를 사용하는 것과 같은 예외를 야기했습니다.

마이크로 전자 기계 시스템

최근 몇 년 동안 MEMS 기술(마이크로 전자 기계 시스템)을 기반으로 한 가속도계가 압전 센서의 대안으로 떠오르고 있습니다. MEMS 변환기 (트랜스듀서)는 자동차, 컴퓨터 및 시청각 산업의 마이크로 기계 시스템에서 널리 사용됩니다. MEMS의 구성은 기계식 서스펜션 시스템 기준 프레임 위에 놓인 저항성 보드의 움직이는 덩어리입니다. 진동과 같은 움직임의 결과로 움직이는 판과 고정된 판(커패시터를 형성하는) 사이의 커패시턴스에 변화가 생깁니다.

MEMS의 장점은 크기가 수 미크론에서 밀리미터까지 다양할 수 있어 소형화의 이정표가 될 수 있다는 것입니다. 저비용, 저전력 소비, 작은 크기, 기계적 충격에 대한 내성, 완벽한 전자기 호환성, DC 시프트 효과 없음 등 MEMS 기반 센서의 장점은 매우 많습니다.

MEMS 가속도계의 등장은 손-팔 진동 측정에서 압전 가속도계가 가진 장벽을 깨뜨렸습니다:

우선, 전체 시스템 비용을 절감할 수 있었습니다.
둘째, 크기가 작아 진동 방지 장갑 아래에서도 일상 활동을 방해하지 않고 사람의 손에 부착할 수 있어 진동 노출에 대한 정확한 결과를 제공할 수 있었습니다.
또한, 크기가 작아 가속도계 옆에 힘 센서를 설치할 수 있어 3축 가속도 평가와 동시에 접촉력을 측정할 수 있었습니다. 이를 통해 향상된 손-팔 진동 평가 방법과 새로운 손-팔 진동 측정 표준을 만들 수 있는 강력한 기반을 마련할 수 있었습니다.

사진 2. 3축 MEMS 센서가 장착된 손-팔 진동 어댑터

ISO 5349에 따른 손-팔 진동 측정 기술

손-팔 진동 평가에 사용되는 기본 매개변수는 일일 노출량 A(8) 계산의 기초가 되는 3축 진동의 벡터 합인 _ahv입니다. 일일 노출량을 파악하려면 모든 진동원을 식별해야 하는데, 이는 공구의 모든 작업 모드(예: 해머를 사용한 드릴링과 사용하지 않은 드릴링)와 기기 사용 조건의 변화를 식별하는 것을 의미합니다. 이 정보는 측정을 적절히 구성하고 작업자가 손-팔 진동에 노출되는 일반적인 작업을 최대한 많이 포함하기 위해 필요합니다. 각 진동원에 대해 일일 노출량을 계산해야 합니다.

직원에게 영향을 미치는 기계적 진동의 원인을 파악한 후 다음 단계는 가장 적합한 가속도계 장착을 선택하는 것입니다. ISO 5349에 따르면 손-팔 진동은 제자리에서 또는 수공구와의 접촉 지점에서 측정해야 합니다. 가장 좋은 위치는 가장 대표적인 위치인 손잡이 중앙입니다. ISO 5349에서는 측정 오류를 줄이기 위해 경량 센서를 사용할 것을 권장합니다. 손에서 직접 측정은 특수 어댑터를 사용하여 수행하며 세 축 모두에서 측정하는 것이 좋습니다.

일반적인 진동 노출은 작업자가 공구에 접촉하는 짧은 시간으로 구성됩니다. 측정 시간에는 대표적인 공구 작동 시간이 포함되어야 하며, 진동 장치가 닿는 순간부터 시작하여 접촉이 끊어지거나 진동이 멈출 때까지 측정해야 합니다(ISO 5349-2:2001).

진동 위험 평가에 대한 개선된 방법에 대한 ISO 5349-2

ISO 5349-1에 설명된 진동 노출 평가는 그립 부위 또는 손잡이에서의 진동 크기 측정과 노출 시간만을 기준으로합니다. 작업자가 가하는 파지력 및 이송력, 손과 팔의 자세, 진동의 방향, 환경 조건 등과 같은 추가 요소는 고려되지 않습니다. ISO 5349-1을 응용한 ISO 5349-2는 이러한 추가 요소를 평가하기 위한 지침을 정의하지 않습니다. 그러나 모든 관련 정보를 보고하는 것이 진동 위험 평가를 위한 개선된 방법의 개발에 중요하다는 것은 인정됩니다(ISO 5349-2:2001).

SV 103 개인용 손-팔 진동 노출 레벨 미터

이 연구는 ISO 8041:2005를 충족하고 작업자의 손에 특수 어댑터를 장착하여 ISO 5349-1 및 ISO 5349-2에 따라 측정을 수행하도록 설계된 SVANTEK의 진동 노출 레벨 미터인 SV 103을 사용하여 수행되었습니다. 핸드 어댑터 내부에는 최신 MEMS 가속도계와 접촉력 센서가 있습니다.

사진 3. SV 103 손-팔 진동 노출 측정기

손과 진동하는 표면 사이에는 밀고 당기는 힘과 쥐는 힘과 같은 접촉력이 작용합니다. 접촉력과 진동 크기를 동시에 평가해야 할 필요성이 보편적으로 인정되어 ISO 15230에 반영되었습니다.

그림 1. ISO 15230에서 제시하는 접촉력 측정의 예

가속도 및 접촉력 값은 모두 시인성과 대비가 매우 뛰어난 OLED 화면에 선명하게 표시됩니다. 측정하는 동안 기기는 충전식 배터리로 전원을 공급받았습니다. SV 103은 작업자의 팔에 부착하고 가속도계는 손에 장착했습니다. 케이블은 작업 활동에 방해가 되지 않도록 손목에 장착 밴드로 고정했습니다.

측정 작업

작업은 철근 콘크리트 블록에 4개의 구멍을 뚫는 것이었고, 3명의 작업자가 이 작업을 수행했습니다. 각 작업자는 장갑을 착용하지 않고 처음 두 개의 구멍을 뚫은 다음, ISO 10819:1996 인증 진동 방지 장갑을 착용하고 두 개의 구멍을 뚫었습니다. 이 작업은 드릴의 해머 기능을 활성화한 상태에서 수행되었습니다(IEC 60745에 따라 제조업체에서 명시한 진동 진폭이 9.^2ms-2인 DeWALT D25103 모델).

사진 4. SV 103 진동 노출 레벨 미터의 일반적인 장착 모습
작업자의 팔에

측정 결과

SV 103 진동 노출 레벨 미터는 3개의 작업 각각에 대해 200ms의 로깅 단계로 ^ms-2로 표현되는 ahv 벡터와 뉴턴(N)으로 표현되는 접촉력의 시간 이력을 기록했습니다(그림 2, 3, 4). 데이터는 스반텍의 슈퍼바이저 소프트웨어(Svantek Sp Z o.o., 2014)로 추가로 분석했습니다.

소프트웨어에서 제공하는 도구를 사용하여 접촉력 값의 시간 이력을 사용하여 작업자가 드릴의 기계적 진동에 노출 된 시간을 결정했습니다.

접촉력 값에 따라 다음과 같은 결과를 얻었습니다:

표 1. 3가지 작업에 대한 측정 결과

그림 2. ahv 벡터 및 접촉력의 시간 이력(연산자 1)

그림 3. ahv 벡터와 포스(연산자 2)의 시간 기록

그림 4. AEQ 벡터 및 포스(연산자 3)의 시간 기록

1/3 옥타브 분석을 통한 노출 시간 검증

또한 1/3 옥타브 스펙트로그램을 분석하여 각 작업자가 선택한 노출 시간에 대한 주파수 내용의 반복성을 확인했습니다(그림 5, 6, 7).

그림 5. 1/3 옥타브의 스펙트로그램(연산자 1)

그림 6. 1/3 옥타브의 스펙트로그램(연산자 2)

그림 7. 1/3 옥타브의 스펙트로그램(연산자 3)

결과 및 결론

평균 접촉력 데이터 분석 결과 작업자 2가 가장 큰 힘을 사용한 반면 작업자 3은 작업을 수행할 때 가장 적은 힘을 사용한 것으로 나타났습니다(표 1). 이 시점에서 주목할 점은 각 작업자의 자세가 달랐으며, 특히 작업자 2는 도구에 기대어 작업했다는 점입니다. 기술 보고서 CEN/TR 16391:2012에 따르면“어색하고 긴장된 자세는 손과 기계의 손잡이 사이에 필요 이상의 결합력을 발생시키는 경향이 있다“고 설명되어 있는 것처럼 이러한 영향이 특징적입니다.
각 작업자의 일일 노출량 A(8) 값은 접촉력 임계값으로 표시된 노출 시간을 기준으로 계산되었습니다. ISO 5349-2에 따라 힘 값이 임계값을 8초 미만으로 초과하는 짧은 시간은 계산에서 제외되었습니다.
작업자 1과 작업자 2의 경우 20N의 임계값은 노출 시간을 결정하기에 충분한 것으로 나타났지만, 작업자 3의 경우 많은 양의 샘플이 제외된 기간으로 인해 20N의 힘 임계값이 너무 높게 나타났습니다. 이 경우 10N 임계값을 선택한 것이 올바른 것으로 나타났습니다. 이러한 현상을 바탕으로 평균 접촉력과 접촉력 임계값 사이의 관계를 밝혀냈습니다. 연구에 따르면 접촉력 임계값은 고려된 기간의 평균값보다 훨씬 낮게 설정해야 합니다.
각 작업자에 대한 A(8)의 결과는 접촉력 값과 진동 크기 사이의 관계를 보여 주므로 일일 노출량을 평가할 때 접촉력을 고려해야 합니다.
1/3 옥타브 스펙트로그램 분석은 노출 시간 선택이 정확하다는 것을 입증했으며, 진동 방지 장갑 사용의 효율성을 평가하는 데 추가로 도움이 되었습니다. 스펙트로그램은 모든 작업자의 4가지 활동을 명확하게 보여주었지만, 작업자 1과 3의 스펙트럼은 진동 방지 장갑을 사용한 마지막 두 번의 훈련에서 더 높은 주파수에서 더 낮은 값을 포함했습니다. 작업자 2의 스펙트로그램(그림 6)은 진동 방지 장갑을 사용했음에도 불구하고 모든 구멍이 비슷한 주파수 함량으로 드릴링된 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 접촉력이 증가하면 진동 방지 장갑의 효율성이 크게 감소할 수 있음을 보여줍니다.

진동 위험 평가 방법 개선

손-팔 진동의 특성

흰 손가락 질환