Ulepszone metody oceny ryzyka związanego z drganiami

Metody pomiarowe opisane w normach ISO 5349-1 i ISO 5349-2 są obarczone wysokim poziomem niepewności (±20% do 40%). Jedynym słusznym rozwiązaniem zmniejszającym poziom tej niepewności jest zastosowanie mierników dziennej ekspozycji na drgania (DVEM). Podobnie jak w przypadku dozymetrów hałasu, mierniki dziennej ekspozycji na hałas muszą być wystarczająco małe, aby można je było nosić i nie mogą zakłócać normalnych czynności roboczych. Opracowanie tak małych urządzeń stało się możliwe dzięki nowym technologiom akcelerometrów MEMS, które mają wiele zalet, w tym odporność na wstrząsy, brak efektu DC-shift, bardzo niską moc i odpowiedź częstotliwościową (pasmo przenoszenia) do DC. Wprowadzenie MEMS przełamuje technologiczną barierę wagi i wymiarów, a dodatkowo drastycznie obniża koszt całego systemu.

Norma ISO 5349-2 wspomina, że pomiar siły nacisku powinien być wykorzystywany do wykrywania, kiedy ręce pracownika po raz pierwszy nawiązują kontakt z drgającą powierzchnią, a także kiedy kontakt zostaje zerwany. Dzięki opracowaniu nowych, bardzo małych czujników MEMS, możliwe stało się umieszczenie czujnika siły tuż obok akcelerometru (przyspieszeniomierza) drgań. Rozwiązanie to pozwala użytkownikowi na automatyczne uzyskanie informacji o okresie, w którym dłoń pozostaje w kontakcie z drgającą powierzchnią oraz na ocenę całkowitego czasu kontaktu w ciągu dnia.

Charakterystyka drgania miejscowego ręki

Sygnały drgania mechanicznego są zazwyczaj złożone i mogą być wynikiem budowy urządzenia, wad konstrukcyjnych lub jego użytkowania. Podczas kontaktu człowieka z powierzchnią wibrującej maszyny, drgania mechaniczne są przenoszone bezpośrednio na ludzkie ciało, wpływając na poszczególne tkanki lub nawet na całe ciało. Drgania działające na człowieka nazywane są drganiami ludzkimi i dzielą się na drgania ogólne i drgania typu ręka-ramię.

W praktyce najbardziej niebezpieczne są drgania miejscowe, które mogą powodować patologiczne zmiany w układzie nerwowym, naczyniowym (sercowo-naczyniowym) i kostno-stawowym. Drgania miejscowe powstają, gdy jedna lub obie kończyny górne stykają się z wibrującą powierzchnią. Typowymi źródłami takich drgań są wszelkiego rodzaju narzędzia ręczne generujące drgania, takie jak kierownice i dźwignie do sterowania pojazdami. Cechą charakterystyczną drgań miejscowych jest ich zmienność w czasie (Griffin, 1990). Dlatego bardzo często wyniki pomiarów zależą od punktu w czasie, w którym pomiar ma miejsce. Jest to bardzo ważna cecha, która definiuje zarówno metody badawcze, jak i pomiary opisujące ten rodzaj drgania. Ta zmienność w czasie wpływa na kolejny istotny czynnik określający reakcję organizmu na drgania, jakim jest czas ekspozycji (czas trwania ekspozycji na drgania).

Choroba białych palców

Zmiany zachodzące w organizmie człowieka w wyniku kontaktu z drganiami mechanicznymi są uznawane za chorobę zawodową zwaną „zespołem wibracyjnym” (lub „chorobą wibracyjną”). Najczęstsza postać choroby wibracyjnej spowodowana jest drganiami miejscowymi dłoni i występuje w postaci zaburzeń naczyniowych charakteryzujących się słabym krążeniem krwi w palcach (Kolarzyk, 2008). Objawy objawiają się zanikiem opuszek jednego lub kilku palców, powszechnie nazywanym „chorobą białych palców”.

W dzisiejszych czasach medycyna nadal nie jest w stanie wyleczyć choroby białych palców, więc leczenie tego zespołu jest objawowe. Dlatego jedynym skutecznym sposobem uniknięcia choroby drgania jest profilaktyka. Obowiązek ochrony pracowników został nałożony na pracodawców, którzy często mają problem ze znalezieniem skutecznego sposobu wypełnienia tego obowiązku. Dzieje się tak, ponieważ powszechne metody zapobiegania, takie jak rotacja pracowników przy niebezpiecznych zadaniach lub zmiana elektronarzędzi, są często niemożliwe z powodu braku siły roboczej lub ograniczeń w budżecie. Rękawice antywibracyjne również nie rozwiązują tego problemu, ponieważ nie ma sposobu na zmierzenie ich rzeczywistej skuteczności w terenie. Z tych poważnych powodów oczekuje się i oczekuje bardziej skutecznego sposobu zapobiegania.

Zdjęcie 1. Białe palce spowodowane chorobą drgania

Mierniki drgań działające na człowieka

Obecnie pomiary wykonywane są za pomocą mierników poziomu drgań, często nazywanych„miernikami dawki drgań”, wyposażonych w czujniki przyspieszenia drgań. Nie każdy miernik drgań nadaje się do pomiaru drgań działających na człowieka, dlatego też norma ISO 8041 pomaga w procesie wyboru, definiując parametry miernika drgań działających na człowieka. Zgodnie z normą ISO 8041, miernik powinien spełniać pewne minimalne wymagania, w tym:

wyświetlanie ważonych uśrednionych wartości przyspieszenia dla okresu pomiaru,
wyświetlanie ograniczonych pasmowo uśrednionych wartości przyspieszenia dla okresu pomiaru,
wyświetlanie czasu pomiaru,
możliwość wprowadzenia czułości czujnika
możliwość pomiaru wartości szczytowych,
pomiar przy użyciu jednego z filtrów korekcji częstotliwościowej (Wb, Wc, Wd, We, Wf, Wh, Wj, Wk i Wm),
wymagane zakresy pomiarowe,
błąd liniowości w zakresie pomiarowym nie większy niż 6%,
wyświetlanie zniekształceń – przekroczenie zakresu pomiarowego (przeciążenie).

W praktyce większość mierników drgań działających na człowieka wykorzystuje akcelerometry piezoelektryczne, których działanie opiera się na tym, że naprężenia mechaniczne w materiale piezoelektrycznym powodują powstanie na jego ściankach ładunku elektrycznego, który jest proporcjonalny do działającego na niego przyspieszenia. Niestety, główne wady czujników piezoelektrycznych obejmują ich kruchość, wysoką cenę i problemy z efektem DC-shift. Narażenie przetworników piezoelektrycznych na bardzo duże przyspieszenia przy wysokich częstotliwościach, na przykład na narzędziach udarowych bez systemu tłumienia, może powodować generowanie przesunięcia prądu stałego, w którym sygnał drgań jest zniekształcony w taki sposób, że w sygnale drgań pojawia się fałszywa składowa o niskiej częstotliwości. Zniekształcenie DC-shift występuje w przetworniku i jest spowodowane wzbudzeniem przebiegów przejściowych, które są zbyt duże dla przetwornika, przeciążając mechanicznie układ piezoelektryczny. Z tego powodu wszelkie pomiary wykazujące oznaki przesunięcia DC należy pominąć (zgodnie z ISO 5349-2).

Wady akcelerometrów piezoelektrycznych stworzyły barierę dla rozwoju metod pomiarowych i uczyniły je trudnymi i kosztownymi, powodując wyjątki w egzekwowaniu prawa dotyczącego drgań, takie jak stosowanie zegarów (przyspieszeniomierzy) zamiast mierników drgań działających na człowieka.

Mikrosystemy elektromechaniczne

W ostatnich latach akcelerometry oparte na technologii MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) stały się alternatywą dla czujników piezoelektrycznych. Przetworniki MEMS są szeroko stosowane w systemach mikromechanicznych w przemyśle motoryzacyjnym, komputerowym i audiowizualnym. Konstrukcja MEMS to ruchoma masa odpornych płytek, umieszczona na mechanicznej ramie układu zawieszenia. W wyniku ruchu (np. drgania) następuje zmiana pojemności pomiędzy ruchomymi i nieruchomymi płytkami (które tworzą kondensatory).

Zaletą MEMS jest to, że ich wymiary mogą wahać się od kilku mikronów do milimetrów, co czyni je kamieniem milowym w miniaturyzacji. Lista zalet czujników opartych na MEMS jest długa i obejmuje niski koszt, niskie zużycie energii, niewielkie rozmiary, odporność na wstrząsy mechaniczne, pełną kompatybilność elektromagnetyczną i brak efektu DC-shift.

Pojawienie się akcelerometrów MEMS przełamało barierę stworzoną przez akcelerometry piezoelektryczne w pomiarach drgań miejscowych:

Po pierwsze, zmniejszyło to koszt całego systemu.
Po drugie, ich niewielki rozmiar pozwolił na przymocowanie ich do ludzkich dłoni bez zakłócania wykonywania codziennych czynności nawet pod rękawicami antywibracyjnymi, dając tym samym prawdziwe wyniki ekspozycji na drgania.
Dodatkowo, ich rozmiar zapewnił możliwość zainstalowania czujnika siły obok akcelerometru (przyspieszeniomierza), co umożliwiło pomiar siły nacisku jednocześnie z trójosiową oceną przyspieszenia. Daje to solidną podstawę do stworzenia ulepszonych metod oceny drgań miejscowych oraz nowych standardów pomiaru drgań miejscowych.

Zdjęcie 2. Adapter do drgania miejscowego ramienia z zainstalowanym trójosiowym czujnikiem MEMS

Technika pomiaru drgania miejscowego ramienia zgodnie z normą ISO 5349

Podstawowym parametrem wykorzystywanym w ocenie drgań miejscowych dłoni jest suma wektorowa drgań trójosiowych zwana _ahv, która jest podstawą do obliczenia ekspozycji dziennej A(8). Aby określić ekspozycję dzienną, konieczne jest zidentyfikowanie wszystkich źródeł drgań, co oznacza określenie wszystkich trybów pracy narzędzi (np. wiercenie z użyciem młotka i bez) oraz zmian warunków użytkowania urządzenia. Informacje te są niezbędne do prawidłowej organizacji pomiarów i uwzględnienia jak największej liczby typowych zadań operatora, podczas których jest on narażony na drgania miejscowe. Dzienna ekspozycja powinna być obliczona dla każdego źródła drgań.

Po określeniu źródeł drgań mechanicznych oddziałujących na pracownika, kolejnym krokiem jest wybór najbardziej odpowiedniego mocowania akcelerometru (przyspieszeniomierza). Zgodnie z normą ISO 5349, drgania miejscowe powinny być mierzone w miejscu lub w punkcie kontaktu z narzędziem ręcznym. Najlepszą lokalizacją jest środek uchwytu, który jest najbardziej reprezentatywny. Norma ISO 5349 sugeruje stosowanie lekkich czujników w celu zmniejszenia błędów pomiarowych. Pomiary bezpośrednio na dłoni są wykonywane przy użyciu specjalnych adapterów i zalecane są pomiary we wszystkich trzech osiach.

Typowa ekspozycja na drgania składa się z krótkich okresów, w których operator ma kontakt z narzędziem. Czas pomiaru powinien obejmować reprezentatywny czas pracy narzędzia, a pomiar powinien rozpoczynać się od momentu dotknięcia wibrującego urządzenia i kończyć w momencie zerwania kontaktu lub ustania drgania (ISO 5349-2:2001).

ISO 5349-2 o ulepszonych metodach oceny ryzyka związanego z drganiami

Ocena narażenia na drgania opisana w normie ISO 5349-1 opiera się wyłącznie na pomiarze wielkości drgań w strefach chwytu lub uchwytach i czasie ekspozycji. Dodatkowe czynniki, takie jak siły chwytania i posuwu stosowane przez operatora, postawa dłoni i ramienia, kierunek drgań, warunki środowiskowe itp. nie są brane pod uwagę. Norma ISO 5349-2, będąca zastosowaniem normy ISO 5349-1, nie definiuje wytycznych do oceny tych dodatkowych czynników. Uznaje się jednak, że zgłaszanie wszystkich istotnych informacji jest ważne dla opracowania ulepszonych metod oceny ryzyka związanego z drganiami (ISO 5349-2:2001).

SV 103 Osobisty miernik poziomu narażenia na drgania miejscowe ręka-ramię

Badanie zostało przeprowadzone za pomocą SV 103, miernika poziomu narażenia na drgania firmy SVANTEK, który spełnia normę ISO 8041:2005 i został zaprojektowany do wykonywania pomiarów zgodnie z normami ISO 5349-1 i ISO 5349-2 za pomocą specjalnych adapterów zamontowanych na dłoni operatora. Wewnątrz adaptera na dłoń znajduje się najnowszy akcelerometr MEMS (przyspieszeniomierz) i czujnik siły nacisku.

Zdjęcie 3. SV 103 Miernik ekspozycji na drgania miejscowe na ramieniu

Pomiędzy dłonią a drgającą powierzchnią działają siły kontaktowe: siła pchająca/ciągnąca i siła chwytająca. Potrzeba jednoczesnej oceny sił kontaktowych i wielkości drgań została powszechnie uznana i odzwierciedlona w normie ISO 15230.

Rysunek 1. Przykłady pomiaru sił nacisku podane w normie ISO 15230

Zarówno wartości przyspieszenia, jak i siły nacisku są wyraźnie wyświetlane na ekranie OLED, który charakteryzuje się bardzo dobrą widocznością i kontrastem. Podczas pomiaru urządzenie było zasilane z akumulatorów. SV 103 był przymocowany do ramienia operatora, a akcelerometr (przyspieszeniomierz) był zamontowany na dłoni. Kabel był zabezpieczony opaską mocującą na nadgarstku, która nie przeszkadzała w pracy.

Zadanie pomiarowe

Zadanie polegało na wywierceniu czterech otworów w żelbetowym bloku i było wykonywane przez 3 operatorów. Każdy z operatorów wywiercił pierwsze dwa otwory bez rękawic, a następnie dwa otwory w rękawicach antywibracyjnych z certyfikatem ISO 10819:1996. Zadanie zostało wykonane z włączoną funkcją młota w wiertarce (model DeWALT D25103 z amplitudą drgań podaną przez producenta wynoszącą 9,2 ^ms-2 zgodnie z normą IEC 60745).

Zdjęcie 4. Typowy montaż miernika poziomu narażenia na drgania SV 103 na ramieniu operatora.
ramieniu operatora

Wyniki pomiarów

Miernik poziomu narażenia na drgania SV 103 rejestrował zapis czasowy wektora ahv wyrażonego w ^ms-2 i siły nacisku wyrażonej w niutonach (N) z krokiem rejestracji 200 ms dla każdego z 3 zadań (rysunki 2, 3, 4). Dane były dalej analizowane za pomocą oprogramowania SVANTEK Supervisor (Svantek Sp. z o.o., 2014).

Korzystając z narzędzi dostarczonych przez oprogramowanie, zapis czasowy wartości siły nacisku został wykorzystany do określenia czasu ekspozycji operatorów na drgania mechaniczne pochodzące od wiertarki.

W zależności od wartości siły nacisku uzyskano następujące wyniki:

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla 3 zadań

Rysunek 2. Zapis czasowy wektora ahv i siły nacisku (operator 1)

Rysunek 3. Zapis czasowy wektora ahv i siły (operator 2)

Rysunek 4. Zapis czasowy wektora AEQ i siły (operator 3)

Weryfikacja czasu ekspozycji za pomocą analizy 1/3 oktawy

Dodatkowo przeanalizowano spektrogram 1/3 oktawy w celu określenia powtarzalności częstotliwości dla wybranych czasów ekspozycji dla każdego operatora (rysunki 5, 6, 7).

Rysunek 5. Spektrogram 1/3 oktawy (operator 1)

Rysunek 6. Spektrogram 1/3 oktawy (Operator 2)

Rysunek 7. Spektrogram 1/3 oktawy (operator 3)

Wyniki i wnioski

Analiza danych dotyczących średniej siły nacisku wykazała, że operator 2 użył największej siły, podczas gdy operator 3 użył najmniejszej siły podczas wykonywania zadania (Tabela 1). Warto w tym miejscu zauważyć, że postawa każdego z operatorów była inna – zwłaszcza operatora 2, który opierał się na narzędziu. Efekt ten został scharakteryzowany w raporcie technicznym CEN/TR 16391:2012, który mówi:„Niewygodna i napięta postawa będzie miała tendencję do powodowania większych niż to konieczne sił sprzężenia między dłonią a uchwytem maszyny„.
Dla każdego operatora obliczono dzienne wartości ekspozycji A(8) na podstawie czasu ekspozycji wskazanego przez progi siły nacisku. Zgodnie z normą ISO 5349-2 z obliczeń wyłączono krótkie okresy, w których wartości siły przekraczały próg przez mniej niż 8 sekund.
W przypadku operatorów 1 i 2 próg 20 N okazał się wystarczający do określenia czasu ekspozycji, ale w przypadku operatora 3 próg siły 20 N okazał się zbyt wysoki, ponieważ okres czasu wykluczał duże ilości próbki. Wybór progu 10 N okazał się w tym przypadku prawidłowy. W oparciu o to zjawisko ujawniono związek między średnią siłą nacisku a progiem siły nacisku. Zgodnie z badaniem, wartość progu siły nacisku powinna być znacznie niższa niż średnia wartość dla rozważanego okresu czasu.
Wyniki A(8) dla każdego operatora pokazują zależność między wartościami siły nacisku a wielkościami drgań, a zatem siła nacisku powinna być brana pod uwagę przy ocenie dziennego narażenia.
Analiza spektrogramu 1/3 oktawowego wykazała, że wybór czasu ekspozycji był prawidłowy i dodatkowo pomógł ocenić skuteczność stosowania rękawic antywibracyjnych. Widmo wyraźnie pokazywało 4 aktywności dla wszystkich operatorów, jednak widmo dla operatorów 1 i 3 zawierało mniejsze wartości na wyższych częstotliwościach dla dwóch ostatnich drgań wynikających z używania rękawic antywibracyjnych. Spektrogram dla Operatora 2 (Rysunek 6) wykazał, że wszystkie wiercone otwory miały podobną częstotliwość pomimo stosowania rękawic antywibracyjnych. Wyniki te pokazują, że wzrost siły nacisku może znacznie zmniejszyć skuteczność rękawic antywibracyjnych.

Ulepszone metody oceny ryzyka związanego z drganiami

Charakterystyka drgania miejscowego ręki

Choroba białych palców