D

IAGNOSTYKA

’30

DOBRY, WOJSZNIS, Oddzia

áywanie drgaĔ miejscowych na organizm ludzki...

151

ODDZIA

àYWANIE DRGAē MIEJSCOWYCH NA ORGANIZM LUDZKI

– OCENA ANALIZY DYNAMICZNEJ I ENERGETYCZNEJ

Marian Witalis DOBRY, Ma

ágorzata WOJSZNIS

Instytut Mechaniki Stosowanej, Zak

áad Wibroakustyki i Bio-Dynamiki Systemów, PP

ul. Piotrowo 3, 60-965 Pozna

Ĕ, E-mail: [e-mail]; [e-mail]

Streszczenie

W pracy zaprezentowano analiz

Ċ dynamiczną i energetyczną systemu czáowiek-

zmechanizowane narz

Ċdzie rĊczne. Przedstawione przebiegi mocy chwilowej sprĊĪystoĞci

pozwoli

áy okreĞliü miejsca najwiĊkszej koncentracji przepáywu energii w badanym systemie.

Wyniki analizy energetycznej zgadzaj

ą siĊ z danymi medycznymi zebranymi dla osób

pozostaj

ących pod dáugotrwaáym wpáywem drgaĔ mechanicznych generowanych przez pracujące

narz

Ċdzia. Analiza dynamiczna przeprowadzana w dziedzinie amplitud przyspieszeĔ drgaĔ, jako

wielko

Ğci kryterialnej, wykazaáa rozbieĪnoĞci tej oceny. Analiza energetyczna wykazaáa zatem

zgodno

Ğü oceny wpáywu drgaĔ na organizm czáowieka ze skutkami szkodliwego oddziaáywania

drga

Ĕ wykazanymi w raportach medycznych w postaci uszkodzeĔ stawów koĔczyn górnych.

S

áowa kluczowe: analiza dynamiczna, analiza energetyczna, zespóá wibracyjny

INFLUENCE OF LOCAL VIBRATIONS ON A HUMAN BODY – ASSESSMENT OF DAYNAMICAL

AND ENERGY ANALYSES

Summary

The paper presents dynamical and energy analyses of a human – power hand-held tool system.

The presented characteristics of instantaneous power of elasticity allowed to define points with the
highest concentration of energy flow in the investigated system. The results of energy analysis are
coherent with medical data gathered from people who had been exposed to vibrations generated by
working tools for a very long time. The dynamical analysis in the domain of vibration acceleration
amplitudes showed divergence in the evaluation. Hence, the energy analysis showed consistence in
the assessment of influence of vibrations on a human body with the effects of damaging influence
of vibrations showed in medical reports as damage to upper limb joints.

Keywords: dynamical analysis, energy analysis, Vibration induced White Finger disease

1. WPROWADZENIE

Rozwój techniki, szybsze tempo pracy, wzrost

wydajno

Ğci i masowoĞü produkcji, spowodowaáy

nasilenie

i

zwi

Ċkszenie liczby czynników

zagra

Īających zdrowiu i Īyciu czáowieka.

Do takich niekorzystnych zjawisk zalicza si

Ċ

drgania

towarzysz

ące

ka

Īdemu

procesowi

wytwórczemu. Centralny Instytut Ochrony Pracy
(CIOP) w dziale „Bezpiecze

Ĕstwo i higiena pracy”

definiuje drgania mechaniczne jako zespó

á zjawisk

wyst

Ċpujących na stanowiskach pracy, polegających

na przekazywaniu energii ze

Ĩródáa drgaĔ od

organizmu cz

áowieka przez okreĞlone czĊĞci ciaáa

b

Ċdące w kontakcie z drgającym Ĩródáem w czasie

wykonywania czynno

Ğci zawodowych.

W pracy rozpatrywano drgania miejscowe,

których

Ĩródáem jest miĊdzy innymi DuĪe

Zmechanizowane

Narz

Ċdzie RĊczne (DZNR)

wymagaj

ące uĪycia obu rąk w czasie pracy.

Operator w czasie pracy takim narz

Ċdziem

przyjmuje postaw

Ċ symetryczną, wyprostowaną przy

k

ącie ugiĊcia stawów áokciowych 120

0

.

Rys. 1. Przyk

áad uchwytów narzĊdzia

r

Ċcznego uĪytego do analizy

Przyj

Ċty obiekt badaĔ jest przykáadem narzĊdzia

r

Ċcznego, w którym drgania powstające w czasie

pracy

narz

Ċdziem tego typu, są przyczyną

powstawania zmian chorobowych nosz

ących nazwĊ

zespo

áu wibracyjnego mającego wielopostaciowy i

nieswoisty charakter. Zespó

á wibracyjny naleĪy do

grupy chorób zawodowych, w której udzia

á naraĪenia

zawodowego jest wysoce prawdopodobny w
odró

Īnieniu od grupy, w której powstanie choroby

zwi

ązane z warunkami pracy graniczy z pewnoĞcią

(np. pylice p

áuc).

D

IAGNOSTYKA

’30

DOBRY, WOJSZNIS, Oddzia

áywanie drgaĔ miejscowych na organizm ludzki...

152

Energia wibracyjna, w zale

ĪnoĞci od miejsca

wnikania do ustroju, mo

Īe wywoáywaü róĪne

symptomy rozwijaj

ących siĊ zmian chorobowych.

Niekorzystny wp

áyw drgaĔ moĪe, wiĊc objawiaü siĊ

po przez napadowe skurcze naczy

Ĕ, zaburzenia

czucia, zaburzenia b

áĊdnikowe, zmiany dystroficzne

mi

ĊĞni oraz tworzenie torbieli kostnych.

W celu zrozumienia zasad funkcjonowania,

zmian stanu obci

ąĪeĔ dynamicznych i przewidywania

poprawnego zachowania si

Ċ systemu w czasie pracy

niezb

Ċdna jest znajomoĞü dynamiki ukáadu.

Przez dynamik

Ċ rozumie siĊ naukĊ o rzeczach

zmieniaj

ących siĊ w czasie i o siáach, które powodują

te zmiany. Dotyczy to zarówno narz

Ċdzia, którego

energia drga

Ĕ jest czynnikiem patogenetycznym jak i

cz

áowieka obsáugującego dane narzĊdzie.

Analizy dynamiczne prowadzone w dziedzinie

amplitud przemieszcze

Ĕ, prĊdkoĞci i przyspieszeĔ

odnoszone do kryteriów normowych nie da

áy

jednoznacznych wyników maj

ących odzwierciedlenie

w

notowanych

zachorowaniach

na

zespó

á

wibracyjny. Pos

áuĪono siĊ, wiĊc uogólnioną analizą

dynamiczn

ą wykorzystującą I ZasadĊ Przepáywu

Energii w Systemie Mechanicznym sformu

áowaną

przez Dobrego [1, 2, 3, 4, 5]. Metoda ta pozwoli

áa

sformu

áowaü zasady energetyczne szkodliwoĞci

narz

Ċdzi rĊcznych i wskazania miejsc w organizmie

ludzkim najbardziej nara

Īonych na szkodliwy wpáyw

drga

Ĕ w oparciu o wartoĞci mocy lub dawki energii

przekazywanej do cz

áowieka.

2. MODEL FIZYCZNY I MATEMATYCZNY

ANALIZOWANEGO UK

àADU CZàOWIEK-

MASZYNA

Analiza dynamiczna i energetyczna obiektu

bada

Ĕ wymagaáa wpierw zbudowania modelu

fizycznego i matematycznego – patrz Rys. 2.

F (t)

x

4

(t)

x

2

(t)

x

1

(t)

c

4

k

4

c

3

k

3

c

2

k

2

c

1

k

1

c

0

k

0

x

3

(t)

m

1

m

2

m

3

x

5

(t)

m

5

c

5

k

5

m

4

Rys. 2. Model fizyczny systemu Cz

áowiek –

Du

Īe Zmechanizowane NarzĊdzie RĊczne

Parametry dynamiczne c

0

oraz c

i

, i = 1, 2, 3, 4 i

5 s

ą wspóáczynnikami zastĊpczymi táumienia dla

poszczególnych punktów redukcji systemu zwi

ąza-

nych ze struktur

ą dynamiczną czáowieka-operatora.

Uwzgl

Ċdniono masĊ narzĊdzia i obu dáoni oznacza-

j

ąc ją wskaĨnikiem 1 jako m

1

. Wska

Ĩnik 2 i 3 odnosi

si

Ċ do punktów redukcji PrzedramiĊ-àokieü (Pà) dla

których przyj

Ċto odpowiednio masy m

2

i m

3

. Punkty

Rami

Ċ-Bark (RB) posiadają zredukowaną masĊ m

4

i

m

5

. Wspó

áczynniki zastĊpcze k

i

- gdzie i = 1, 2, 3, 4

i 5 modeluj

ą sprĊĪystoĞü obu koĔczyn górnych.

Model matematyczny analizowanej struktury

zbudowano z wykorzystaniem równa

Ĕ Lagrange’a II

rodzaju i przedstawiono go w postaci równa

Ĕ:



 



 

; (1)

t

F

x

k

x

c

x

k

x

c

x

k

k

x

c

c

x

m

3

1

3

1

2

0

2

0

1

1

0

1

1

0

1

1

















$

$

$

$

$



 



0

x

k

x

c

x

k

x

c

x

k

k

x

c

c

x

m

4

2

4

2

1

0

1

0

2

2

0

2

2

0

2

2

















$

$

$

$

$

;

(2)



 



0

x

k

x

c

x

k

x

c

x

k

k

x

c

c

x

m

4

3

4

3

1

1

1

1

3

3

1

3

3

1

3

3

















$

$

$

$

$

;

(3)









0

x

k

x

c

x

k

k

x

c

c

x

m

2

2

2

2

4

4

2

4

4

2

4

4













$

$

$

$

;(4)









0

x

k

x

c

x

k

k

x

c

c

x

m

3

3

3

3

5

5

3

5

5

3

5

5













x

x

x

x

; (5)

gdzie

- si

áy impulsowe,

uderzeniowe generowane przez narz

Ċdzie w czasie

pracy oddzia

áujące na korpus narzĊdzia.

 

  



i

T

N

1

i

i

t

t

į

t

S

t

F



¦

Rozwi

ązanie róĪniczkowych równaĔ ruchu na-

rzuci

áo koniecznoĞü zastosowania technologii in-

formatycznych stosuj

ąc Symulacyjny Program Dy-

namiki Systemu Cz

áowiek - DZNR przy wykorzy-

staniu

programu

komputerowego

MA-

TLAB / simulink.

3. ANALIZA

DYNAMICZNA

BADANEGO

SYSTEMU

Analiza dynamiczna przeprowadzona dla

Rys. 3. Warto

Ğü przyspieszenia w postaci graficznej

dla systemu C

DZNR wzd

áuĪ kierunku „z” dla

poszczególnych punktów redukcji

P

rz

y

sp

ie

sz

en

ie

K

-D

w

[

m

/s

2

]

Czas [s]

P

rz

y

sp

ie

sz

en

ie

P

-à

w

[

m

/s

2

]

Czas [s]

P

rz

y

sp

ie

sz

en

ie

R

_

B

w

[

m

/s

2

]

Czas [s]

D

IAGNOSTYKA

’30

DOBRY, WOJSZNIS, Oddzia

áywanie drgaĔ miejscowych na organizm ludzki...

153

systemu

Cz

áowiek - DuĪe Zmechanizowane

Narz

Ċdzie RĊczne, w którym narzĊdzie wymaga

równoleg

áego

u

Īycia

obu

r

ąk,

wykaza

áa

ró

ĪnorodnoĞü przebiegów w czasie symulacji

wielko

Ğci charakterystycznych jak: przyspieszenie,

pr

ĊdkoĞü, przemieszczenie. WielkoĞci te posiadają

ró

Īne wartoĞci i zróĪnicowane przebiegi w czasie w

zale

ĪnoĞci od punktu redukcji, który byá badany.

Znacz

ące róĪnice w wynikach symulacyjnych

zaobserwowano

dla

przyspieszenia

w

poszczególnych punktach redukcji.

Analiz

Ċ

dynamiczn

ą

przeprowadzono

symulacyjnie, w której przyj

Ċto: masĊ narzĊdzia 10

kg i wymuszenie impulsowe (wysoko

Ğü impulsu

1200 N, czas – 2 ms). Z analizy tej wynika,

Īe

najwi

Ċksza amplituda przyspieszenia wystĊpuje w

punkcie redukcji Korpus-D

áonie, czyli najbliĪej

narz

Ċdzia, a najniĪsza w punkcie RamiĊ- Bark.

4. ANALIZA ENERGETYCZNA W UK

àADZIE

CZ

àOWIEK- MASZYNA

Analiza

energetyczna

badanego

systemu

biomechanicznego polega

áa m.in. na zbadaniu mocy

chwilowej spr

ĊĪystoĞci w strukturze dynamicznej.

Rys. 4. Strukturalny rozdzia

á mocy chwilowej

spr

ĊĪystoĞci w systemie CDZNR dla

poszczególnych punktów redukcji

Zdecydowano

si

Ċ

na

zbadanie

mocy

spr

ĊĪystoĞci, gdyĪ ocenia ona obciąĪenie struktury

spr

ĊĪystej i w odniesieniu do czáowieka istotnie

wp

áywa na elementy sprĊĪyste takie jak: miĊĞnie,

ĞciĊgna, torebki stawowe czy ukáad kostny.

Z analizy tej wynika,

Īe chwilowa moc

spr

ĊĪystoĞci w punkcie PrzedramiĊ-àokieü ma

warto

Ğü najwiĊkszą, a w punkcie RamiĊ-Bark

najmniejsz

ą. Zatem miejscem najwiĊkszej jej

koncentracji i szkodliwo

Ğci na organizm czáowieka

jest punk redukcji Przedrami

Ċ-àokieü.

5. ZESPÓ

à WIBRACYJNY - ZABURZENIA W

UK

àADZIE KOSTNO- STAWOWYM

Zespó

á wibracyjny wywoáany miejscowym

dzia

áaniem drgaĔ mechanicznych uwzglĊdnia

nast

Ċpujące postacie: naczyniową, naczyniowo-

nerwow

ą, kostną, kostno-stawową i mieszaną.

W pracy zdecydowano si

Ċ porównaü wyniki

medyczne odnosz

ące siĊ do osób zapadających na

chorob

Ċ wibracyjną z wynikami symulacyjnymi

analizy dynamicznej i energetycznej. Wzi

Ċto pod

uwag

Ċ postaü kostno-stawową zespoáu wibracyjnego

jako najbardziej skojarzon

ą z mocą sprĊĪystoĞci.

Literatura podaje,

Īe drgania mechaniczne mogą

powodowa

ü zmiany radiologiczne jak: torbiele,

martwice, przewlek

áe záamania, endostozy, zmiany

zwyrodnieniowo-zniekszta

ácające.

Najcz

ĊĞciej

zmiany te umiejscawiaj

ą siĊ w koĞciach i stawach

nadgarstka oraz w stawie

áokciowym.

(K

p

u

s-

D

áo

n

ie

)

Dane medyczne donosz

ą, Īe najwiĊkszy procent

osób poddanych drganiom miejscowym zapada na
choroby zwi

ązane ze zmianami w stawie áokciowym

[11]. Cz

ĊstoĞü wystĊpowania zaburzeĔ i zmian

zwyrodnieniowych w uk

áadzie kostno-stawowym u

osób poddanych drganiom miejscowym prezentuje
rys. 5.

24,5

69,7

4,2

1,6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

ko

Ğci nadgarstka

staw

áokciowy

staw barkowy

inne stawy

miejsce zmian chorobowych

li

c

z

b

a

z

a

c

h

o

ro

w

aĔ

w

[

%

]

Rys. 5.Umiejscowienie zaburze

Ĕ w ukáadzie

kostno- stawowym w odniesieniu do osób

przebadanych, u których takie zaburzenia

wyst

ąpiáy [11]

Takie zestawienie wyników mo

Īe Ğwiadczyü o

tym,

Īe podejĞcie energetyczne jest wáaĞciwsze niĪ

analiza dynamiczna. Chwilowa moc spr

ĊĪystoĞci

wskaza

áa, Īe miejscem najbardziej obciąĪonym

energetycznie jest staw

áokciowy, co potwierdzają

dane medyczne. Na liczb

Ċ przebadanych osób

poddanych

d

áugotrwaáemu

dzia

áaniu

drga

Ĕ

o

r

a

C

h

w

il

o

w

m

o

c

sp

rĊ

Īy

st

oĞ

ci

[

W

]

Czas [s]

(P

rz

ed

ra

m

iĊ

-

à

o

k

ie

ü)

C

h

w

il

o

w

a

m

o

c

sp

rĊ

Īy

st

oĞ

ci

[

W

]

Czas [s]

(R

am

iĊ

-

B

ar

k

)

C

h

w

il

o

w

a

m

o

c

sp

rĊ

Īy

st

oĞ

ci

[

W

]

Czas [s]

D

IAGNOSTYKA

’30

DOBRY, WOJSZNIS, Oddzia

áywanie drgaĔ miejscowych na organizm ludzki...

154

mechanicznych,

a

Ī prawie 70 % stanowią

uszkodzenia stawu

áokciowego.

6. WNIOSKI

Analiza energetyczna wykazuje lepsz

ą zgodnoĞü

z medycznymi danymi oddzia

áywania drgaĔ i okazaáa

si

Ċ analizą wáaĞciwszą niĪ dynamiczna we wskazaniu

miejsc najbardziej nara

Īonych na szkodliwy wpáyw

drga

Ĕ, wykazujących zaburzenia funkcjonowania i

uszkodzenia.

Miejsca

najwi

Ċkszego

obci

ąĪenia

energetycznego wskazane przez analiz

Ċ energetyczną

pokrywaj

ą siĊ z wynikami badaĔ medycznych

przeprowadzonymi

na

operatorach

zmechanizowanych narz

Ċdzi rĊcznych [11].

Ca

ákowita moc chwilowa w systemie czáowiek-

narz

Ċdzie zawiera w sobie moc bezwáadnoĞci, strat i

spr

ĊĪystoĞci. Analiza wyników medycznych

wskazuje na konieczno

Ğü rozpatrywania róĪnych

rodzajów mocy chwilowych osobno. Jak wykaza

áy

przeprowadzone badania chwilowa moc spr

ĊĪystoĞci

mo

Īe byü skojarzona z uszkodzeniami elementów

spr

ĊĪystych, czyli z zaburzeniami w ukáadzie kostno-

stawowym,

co

jest

zgodne

z

wynikami

przedstawionymi w [10].

LITERATURA

[1] Dobry M.W.; “Energy flow in a power-unit of

hand-held impact tools with vibroisolation of
feed force realised by WoSSO System”, W:
Ninth World Congress on the Theory of
Machines and Mechanisms. Proceedings.
Politecnico di Milano, Italy, August 29 –
September, 1995, 2, Vol. 4, s.2765-2769;

[2] Dobry M.W.; „Zasada przep

áywu energii jako

podstawa uogólnionej analizy dynamicznej
systemu mechanicznego”, Raport wewn

Ċtrzny

nr 265, Instytut Mechaniki Stosowanej
Politechniki Pozna

Ĕskiej, PoznaĔ, maj 1996;

[3] Dobry M.W.;”Energy flow in Man

Tool 

Base System”, Lecture Notes of the ICB
Seminars, Vol. 29, International Centre of
Biocybernetics, s. 35-56. Warszawa, czerwiec
1996;

[4] Dobry M. W.; “Energy flow in Human - Tool -

Base System (HTBS) and its Experimental
Verification”,

W:

Proceedings,

Eighth

International

Conference

on

Hand-Arm

Vibration 9-12 June, 1998, National Institute
for Working Life, Department of Technical
Hygiene, Umeå 1998, pp. 9-10, Sweden;

[5] Dobry M. W.; Optymalizacja przep

áywu

energii w systemie Cz

áowiek - NarzĊdzie -

Pod

áoĪe (CNP), Rozprawa habilitacyjna, Seria

„Rozprawy” nr 330. ISSN 0551-6528, Wyd.
Politechniki Pozna

Ĕskiej, PoznaĔ, marzec

1998;

[6] Dobry M. W.,

Miszczak M. (Wojsznis);

“Dynamiczny

model

systemu

cz

áowiek-

maszyna w przypadku pos

áugiwania siĊ duĪymi

narz

Ċdziami zmechanizowanymi”, ACTA of

BIOENGINEERING and BIOMECHANICS,
Vol. 2, Supplement 1, 2000, Oficyna Wyd.
Polit. Wroc

áawskiej, Wrocáaw 2000, pp. 125-

130;

[7] Dobry M. W.;

”Energy

diagnostics

and

assessment of dynamics of mechanical and
biomechatronics systems”. Machine Dynamics
Problems 2001, Vol. 25, No. ¾ Warsaw
University of Technology, Warsaw 2001, pp.
35-54;

[8] Dobry

M.W.;

Energy

analysis

of

biomechanical

systems,

STUDIA

I

MATERIA

àY LIII,

TECHNIKA

3,

Wspó

áczesne problemy techniki, Oficyna

Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego,
Zielona Góra 2003, s. 137-158;

[9] Wojsznis (Miszczak) M. , Dobry M. W.: „ The

influence of positioning of hands on energy
quantities Meltzer model”, XXI Symposium
Vibrations in Physical Systems, Pozna

Ĕ-

Kiekrz, maj 26- 29, 2004, pp. 419- 422;

[10] Dobry M. W.: „Dependence of energy flow and

damages of human body exposed on hand-arm
vibration”, XXI Symposium Vibrations in
Physical Systems, Pozna

Ĕ-Kiekrz, 26-29.05.04,

pp. 127- 130;

[11] Markiewicz L., „Fizjologia i higiena pracy”,

Inst. Wyd. CRZZ, Warszawa 1980;

[12] Marek K.;

„Choroby

zawodowe”,

Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa
2003;

Marian Witalis DOBRY – informacje o Autorze na
stronie nr 146.

Mgr Ma

ágorzata WOJSZNIS - asystent w Instytucie

Mechaniki

Stosowanej

PP.

Specjalizacja:

mechanika, drgania i dynamika maszyn. Badania z
zakresu rozdzia

áu mocy i przepáywu energii w

systemie cz

áowiek – zmechanizowane narzĊdzie

r

Ċczne.