O impacto da força de contato na precisão da medição de vibração mão-braço

Ao medir a vibração numa mão, a medição simultânea da força de contato verifica se a magnitude da força é suficientemente rígida. A força de contacto também fornece informações sobre o horário de trabalho do operador e pode ajudar a instruir os operadores caso estejam a utilizar força excessiva ou insuficiente ao trabalhar com ferramentas manuais. Além disso, conhecendo o valor da força de acoplamento e a aceleração da vibração, é possível calcular a dose real de energia vibratória que foi transferida para uma mão.

Força de contato

As forças de contato entre a mão e a superfície vibratória são: a força de empurrar/puxar e a força de preensão. A necessidade de avaliação simultânea das forças de contato e magnitudes de vibração foi universalmente reconhecida e refletida na norma ISO 15230.

Acelerômetros MEMS e sensores de força de contato

Nos últimos anos, os acelerômetros baseados na tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) tornaram-se uma alternativa aos sensores piezoelétricos. Os transdutores MEMS são amplamente utilizados em sistemas micromecânicos nas indústrias automotiva, de informática e audiovisual. A construção do MEMS consiste em uma massa móvel de placas resistentes colocadas sobre um referencial de sistema de suspensão mecânica. Como resultado do movimento (como a vibração), ocorre uma mudança na capacitância entre as placas móveis e fixas (que formam capacitores).

A vantagem dos MEMS são suas dimensões que podem variar de apenas alguns mícrons a milímetros, o que os torna um marco na miniaturização. A lista de vantagens dos sensores baseados em MEMS é longa e inclui baixo custo, baixo consumo de energia, tamanho pequeno, resistência a choques mecânicos, compatibilidade eletromagnética total e nenhum efeito de deslocamento CC.

A introdução dos acelerômetros MEMS quebrou a barreira criada pelos acelerômetros piezoelétricos nas medições de vibração mão-braço. Em primeiro lugar, reduziu o custo do sistema completo. Em segundo lugar, o seu pequeno tamanho permitiu que fossem fixados às mãos humanas sem qualquer distracção para o desempenho das actividades quotidianas, mesmo sob luvas anti-vibrações, proporcionando assim os verdadeiros resultados de exposição às vibrações. Além disso, seu tamanho permitiu a instalação de um sensor de força de contato próximo ao acelerômetro, possibilitando a medição da força de contato simultaneamente com a avaliação da aceleração triaxial. Isto constituiu uma base sólida para a criação de métodos melhorados de avaliação de vibrações mão-braço e de novos padrões de medição de vibrações mão-braço.

Uso de adaptadores de vibração mão-braço de acordo com a norma ISO 5349

Antes da introdução dos sensores MEMS, as medições de vibração mão-braço eram realizadas com sensores piezoelétricos normalmente montados em ferramentas. A localização dos sensores não foi escolhida conforme recomendado pela ISO – no ponto de contato com a mão, mas, para evitar danos, no ponto mais conveniente e seguro para o próprio sensor. A introdução de adaptadores de vibração mão-braço MEMS com capacidade de medição de força resolveu esse problema e permitiu a medição exatamente no ponto de contato entre a mão e a superfície vibratória.

Ao mesmo tempo, o uso de adaptadores de vibração mão-braço levantou uma questão sobre a precisão das medições de vibração em função da força de contato. Para responder a esta questão, foram realizadas 240 medições no Instituto Nacional de Investigação Polaco, no Instituto Central de Protecção do Trabalho. O impacto da força de acoplamento nas magnitudes de vibração foi avaliado com medidores de vibração humana SV106 da Svantek e adaptadores mão-braço SV105AF (os limites de força de impulso nos testes foram: 0 N, 20 N, 50 N, 100 N).

Figura 1. Adaptador de vibração mão-braço com acelerômetro MEMS triaxial e sensor de força de contato instalado

Estudo: Vibração Mão-Braço e Medição de Força de Contato

O estudo foi realizado com dois SV 106, os medidores de nível de vibração humana da SVANTEK atendem aos requisitos da norma ISO 8041:2005 e são projetados para realizar medições de acordo com as normas ISO 5349-1 e ISO 5349-2, com adaptadores especiais de mão-braço SV 105AF montado nas alças dos excitadores de vibração. Durante a medição, o instrumento foi alimentado por bateria. Duas unidades SV 105AF, marcadas como adaptadores mão-braço A e B, foram fixadas com fita adesiva e cera de abelha para garantir a repetibilidade das medições. Um dos adaptadores (A) foi utilizado para medição com o operador, enquanto o segundo (B) é a referência. Ambos os pontos de medição estavam localizados na alça de teste. Durante as medições, o ponto A localizou-se no ponto de contato da mão do operador com a alça. O ponto B foi localizado abaixo da zona de contato da mão com a alça de teste. Como referência, o acelerômetro Brüel & Kjaer 4374, nr. NA2/11, e o PULSE Brüel & Kjaer 3560C, nr. Analisador NA2/84 foi usado. O acelerômetro de referência também foi acoplado à alça.

Instrumentação de medição

Instrumentação usada para gerar e controlar sinais de teste:

excitador de vibração, Ling Dynamic Systems V721, nr id. NA2/30/31,
acelerômetro de vibração, Brüel & Kjaer 4374, nr id. NA2/11,
amplificador NEXUS, Brüel & Kjaer 2692, nr id. NA2/62,
amplificador de potência, Ling Dynamic Systems PA 2000, Nr id. NA2/26,
gerador de sinais Brüel & Kjaer 1054, nr id. NA2/25,
número do computador. NA2/63,
analisador PULSE, Brüel & Kjaer 3560C, Nr id. NA2/84.

Instrumentação usada para medições de força:

medidor de força, PI-W Movir MSZN-1, Nr id. NA2/32,
plataforma de força de impulso, CIOP PIB, Nr id. NA2/34,
alça de teste, CIOP PIB, Nr id. NA2/33,
sensor óptico, Sensor, CW 18/80, Nr id. NA2/43

Figura 2a. Adaptador de vibração mão-braço com acelerômetro MEMS triaxial e sensor de força de contato instalado

Figura 2b. Medidores de vibração SV 106

Força de contato

Durante o experimento, a força de impulso foi medida com o uso de uma plataforma especial no Instituto Nacional de Pesquisa da Polônia no Instituto Central de Proteção do Trabalho, usando o medidor PI-W Movir MSZN-1 e o sensor CW 18/80. Os limites de força de impulso nos testes foram: 0 N, 20 N, 50 N, 100 N.

Figura 1. Exemplo de medição de forças de contato fornecido pela ISO 15230

O objetivo e método de medição

O objetivo do experimento era realizar medições de aceleração de vibração em uma alça de teste com o uso dos medidores SV 106 descritos na pág. 2.1 na presença das diferentes forças de impulso aplicadas pelo operador e avaliar os efeitos dessas forças nos resultados de vibração.

O método do estudo foi medir a aceleração da vibração ponderada na direção paralela à vibração gerada em uma alça de teste com o uso simultâneo de dois conjuntos de medição descritos na pág. 2.1. A vibração gerada em uma alça estava em conformidade com a norma ISO 10819:2013.

O adaptador A foi testado sob forças de impulso definidas aplicadas por <10 operadores diferentes, enquanto o adaptador B foi usado como referência sem o uso de forças de impulso.

Dois sinais de teste foram usados no estudo:

Sinal de vibração 1: um sinal simulado de acelerações de vibração geradas pelo martelo vibratório,
Sinal de vibração 2: um sinal simulado de acelerações de vibração geradas pela rebarbadora

As medições de vibração mão-braço foram realizadas de acordo com a norma ISO 5349-1:2001 Vibração mecânica – Medição e avaliação da exposição humana à vibração transmitida pela mão – Parte 1: Requisitos gerais e ISO 5349-2:2001 Vibração mecânica – Medição e avaliação da exposição humana a vibrações transmitidas manualmente – Parte 2: Orientações práticas para medição no local de trabalho.

Foto 3. Posição do operador na plataforma durante as medições.

Resultados de medição

O gráfico abaixo apresenta a relação entre os resultados médios de 30 medições para cada limite de força de contato no ponto A em relação aos resultados no ponto B juntamente com o desvio padrão. Os resultados do sinal de vibração 1 estão marcados em azul e do sinal de vibração 2 em vermelho.

Gráfico 1. Razão entre os valores de vibração medidos com a força aplicada e os valores de referência sem aplicação de força

O impacto da força de contato nos valores de vibração medidos.

Com base no estudo realizado, foi definido que as diferenças entre as acelerações de vibração medidas nos pontos A e B para forças de impulso na faixa de 0–100 N não excedem 1,2%, o que significa que o efeito da força de impulso aplicada é irrelevante para os valores de vibração medidos.

O limite mínimo de força de contato necessário para medições precisas de aceleração de vibração

Medições adicionais com adaptadores mão-braço sem uso de cera de abelha ou fita de montagem foram realizadas para avaliar o efeito de alterações no acoplamento do adaptador ao cabo de teste. Observou-se que para limites de força abaixo de 20 N, foi necessário garantir que o acoplamento entre o adaptador e a alça de teste fosse suficiente para evitar quebras no contato contínuo durante as medições.

Conclusão

O estudo realizado prova que o efeito das alterações nos limites de força de contato aplicados pelo operador é irrelevante para os valores medidos de aceleração de vibração. Esta suposição é válida para forças acima do limite de 20 N, abaixo do qual é necessário garantir o correto acoplamento entre o adaptador mão-braço e a superfície vibratória. Juntamente com a queda do nível de força abaixo de 20 N, a incerteza relacionada ao acoplamento aumenta rapidamente. Porém, é necessário ressaltar que na prática, para ferramentas que geram elevadas amplitudes de vibração, o limite de 20 N pode não garantir um acoplamento perfeito, portanto, níveis de limite mais elevados devem ser estabelecidos.
Na época em que a norma ISO 5349 foi introduzida, era praticamente impossível realizar medições de força juntamente com medições de vibração triaxial devido a limitações de hardware.
No momento, transdutores de força muito pequenos podem ser instalados ao lado do acelerômetro de vibração baseado em tecnologia MEMS na forma de um adaptador mão-braço, conforme especificado pelas normas ISO 5349-2 e ISO 10819. Em comparação com a técnica de montagem de um sensor em uma ferramenta, o uso da força de contato permite definir a real exposição à vibração, enquanto a montagem em uma ferramenta traz a incerteza de incluir nos testes os períodos em que não houve contato com a mão do operador.
Como foi comprovado, o uso de adaptadores mão-braço fornece a mesma precisão de amplitudes de vibração que no caso de sensores de vibração piezoelétricos padrão montados em uma ferramenta, mas oferece adicionalmente a vantagem da melhor localização possível do ponto de medição— exatamente no ponto de transmissão do sinal de vibração para a mão de um operador e fornece informações sobre a exposição real à vibração.

Solicite mais informações
no medidor de vibração SV 106

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