1. Wprowadzenie

Drgania to zjawiska, w których pewne wielkości charakterystyczne są funkcjami czasu, zazwyczaj na przemian rosnącymi i malejącymi następujących po sobie kolejno przedziałach czasu.

Węższą klasą tych zjawisk są drgania mechaniczne (wibracje), które są przedmiotem zainteresowania ochrony pracy i obejmują one zjawiska występujące na stanowiskach pracy. Polegają na przenikaniu energii ze źródła drgań do organizmu pracownika przez określoną część organizmu będącą w bezpośrednim kontakcie ze źródłem.

Do wywołania emisji drgań mechanicznych jest konieczna zmiana parametrów obciążenia ośrodka (np. siły, masy, naprężenia) spowodowana dostarczeniem pewnej ilości energii. Obszar (obiekt), do którego jest dostarczona energia staje się źródłem drgań, a zmiana parametrów obciążenia w obszarze źródła powoduje powstawanie drgań mechanicznych.

2. Wielkości charakterystyczne drgania mechaniczne stosowane przy ocenie oddziaływania drgań na organizm człowieka

Podstawowymi wielkościami fizycznymi opisującymi ruch cząstek ośrodka sprężystego wokół położenia równowagi, a zatem także drgania mechaniczne, są:

• przemieszczenie ( wychylenie),

• prędkość drgań,

• przyspieszenie drgań.

Ruch wibracyjny może składać się z jednej składowej o określonej częstotliwości (drgania sinusoidalne), lecz w praktyce najczęściej występują drgania złożone z wielu składowych sinusoidalnych lub nawet stanowiące sumę nieskończonej ich liczby. W najprostszym przypadku drgań sinusoidalnym chwilowa wartość przemieszczenia x dla czasu t określona jest wzorem:

gdzie:

x_m - maksymalna wartość przemieszczenia (wartość szczytowa), [m]

t - czas, [s]

T - okres drgań, [s]

f= 1/T - częstotliwość, [Hz]

Prędkość drgań definiowana jest jako:

gdzie:

v - chwilowa wartość prędkości drgań, [m/s]

v_m - maksymalna wartość prędkości drgań (wartość dopuszczalna), [m/s]

Przyspieszenie drgań określone jest zależnością:

gdzie:

a - chwilowa wartość przyspieszenia drgań, [m/s²]

a_m - maksymalna wartość przyspieszenia drgań (wartość szczytowa). [m/s²]

Do ilościowego opisu drgań, poza wartością chwilową przyspieszenia oraz wartością szczytową, wygodnie jest wprowadzenie kolejnej miary, a mianowicie:

• wartości skutecznej przyspieszenia drgań a _RMS (a_sk), [m/s²], określonej wzorem:

Wartość skuteczna uwzględnia zarówno historię czasową przebiegu drgań jak również zawiera informacje o wielkości amplitudy.

3. Podział drgań mechanicznych

Drgania mechaniczne możemy podzielić w różny sposób w zależności od przyjętych kryteriów podziału. Z punktu widzenia oceny wpływu drgań na organizm człowieka istotne są cztery klasyfikacje, w których za kryteria podziału przyjmuje się:

1. Charakter zmienności drgań w funkcji czasu.

2. Rodzaj oddziaływania drgań na organizm, zależny od miejsca kontaktu organizmu ze źródła drgań (miejsca zmienności drgań do organizmu).

3. Kierunek propagacji drgań w organizmie.

4. Charakter narażenia na drgania.

Mając na uwadze charakter zmienności sygnału drganiowego w czasie, drgania można podzielić na:

• drgania ustalone,

• drgania nieustalone.

Uwzględniając różny sposób oddziaływania drgań na organizm ludzki, zależny od miejsca przenikania drgań do organizmu, drgania można podzielić na dwie grupy, a mianowicie na:

1. Drgania o oddziaływaniu ogólnym przenikające do organizmu człowieka przez jego nogi, miednicę, plecy lub boki (drgania ogólne).

2. Drgania oddziałujące na organizm człowieka przez kończyny górne (drgania miejscowe).

Zakres częstotliwości, w którym wykonywane są badania i ocena drgań ogólnych zawiera się w przedziale 0,9 - 90 Hz. Wynika to z faktu, że częstotliwość drgań własnych większości narządów człowieka mieszczą się w tym właśnie zakresie i pod wpływem działania drgań ogólnych może dojść do wzbudzenia drgań rezonansowych poszczególnych narządów. Największa wrażliwość organizmu ludzkiego na działanie drgań ogólnych występuje w przedziale 0,9 - 9 Hz i zależy od kierunku propagacji drgań w organizmie.

Zakres częstotliwości, w którym wykonywane są badania i ocena drgań przekazywanych do organizmu ludzkiego przez kończyny górne zawiera się w przedziale 5,6 - 1400 Hz. W zakresie tym znajdują się częstotliwości drgań własnych poszczególnych elementów składowych dłoni i ramion, zwłaszcza układu kostnego i mięśniowego ( do kilkudziesięciu herców) oraz częstotliwości wyższe, odpowiedzialne za zmiany chorobowe w układzie naczyniowy. Największa wrażliwość organizmu na działanie drgań miejscowych występuje w przedziale 5,6 - 20 Hz .

W przypadku drgań ogólnych wrażliwość organizmu na działanie tych drgań zależ nie tylko od ich częstotliwości, ale także od kierunku ich oddziaływania (kierunek propagacji w organizmie). Spowodowanie jest to m.in. niesymetryczną budową ciała ludzkiego. Mając powyższe na uwadze, drgania ogólne możemy podzielić na:

• drgania pionowe (z); rozchodzące się wzdłuż pionowej osi ciała człowieka, od stóp do głowy,

• drgania poziome (x); rozchodzące się wzdłuż płaszczyzny prostopadłej do osi pionowej, w kierunku od pleców do klatki piersiowej,

• drgania poziome (y); rozchodzące się wzdłuż płaszczyzny prostopadłej do osi pionowej, w kierunku od ramienia prawego do lewego.

Tak określony układ współrzędnych (z, y, x) związany z geometrią ciała zwany jest układem ruchomym (rys.1). Dopuszcza się wykonanie badań również zgodnie z tzw. nieruchomym układem odniesienia (X, Y, Z) związanym z geometrią budynku, pomieszczenia czy stanowiska pracy.

Rys. 1. Ruchomy układ współrzędnych odniesienia przy pomiarach drgań o oddziaływaniu ogólnym

W przypadku drgań oddziałujących na człowieka przez kończyny górne wrażliwość organizmu na działanie tych drgań jest jednakowa we wszystkich kierunkach i zależy tylko od częstotliwości. Jednak pomiary drgań miejscowych również należy wykonać w trzech kierunkach X (x), Y (y), Z (z) w celu ustalenia składowej dominującej. Przy pomiarach może być stosowany ruchomy lub nieruchomy układ współrzędnych, przy czym układ ruchomy (z, y, x) związany jest z geometrią dłoni, zaś układ nieruchomy (X, Y, Z) z geometrią narzędzia lub jego uchwytu.

Rys. 2. Układ współrzędnych odniesienia przy pomiarach drgań oddziałujących na organizm człowieka przez kończyny górne

Istotny jest również podział ze względu na charakter narażenia. Pod tym kątem drgania można podzielić na:

• drgania ciągłe (narażenie ciągłe) - są to drgania występujące bez przerw w trakcie zmiany roboczej z pominięciem: przerw w pracy, przerw na posiłki, czynności przed podjęciem pracy i po jej zakończeniu,

• drgania przerywane ( narażenia przerywane) - są to drgania występujące wielokrotnie w ciągu zmiany roboczej z przerwami: przerwy mogą być spowodowane przemieszczeniem się osób narażonych, cyklicznością technologii, wyłączeniem źródeł itp.,

• drgania sporadyczne ( narażenie sporadyczne) - są to drgania występujące nieregularnie, związane z czynnościami wykonywanymi dorywczo, np. raz w ciągu zmiany, raz w tygodniu itp.

4. Źródła drgań mechanicznych w środowisku pracy

Uwzględniając wyżej opisany podział drgań ze względu na rodzaj ich oddziaływania na organizm człowieka, źródła drgań możemy podzielić na dwie grupy:

• źródła drgań o oddziaływaniu ogólnym,

• źródła drgań oddziałujących przez kończyny górne.

Źródłami drgań o oddziaływaniu ogólnym są np.:

• podłogi hal fabrycznych i innych budynków oraz podesty, pomosty itp. wprawione w drgania przez eksploatowane w nich (lub poza nimi) maszyny i urządzenia stacjonarne i przenośne lub też przez ruch uliczny czy kolejowy,

• różnego rodzaju platformy drgające,

• siedziska i podłogi wszelkiego rodzaju środków transportu (samochodów, ciągników, autobusów, tramwajów, pojazdów kolejowych, statków i samolotów),

• siedziska i podłogi wszelkiego rodzaju maszyn budowlanych (np. do robót ziemnych, fundamentowania, zagęszczania gruntów).

Źródłami drgań oddziałujących na organizm człowieka przez kończyny górne są głównie:

• ręczne narzędzia uderzeniowe o napędzie pneumatycznym, hydraulicznym lub elektrycznym (np.: młoty, ubijaki, nitowniki, klucze udarowe),

• ręczne narzędzia obrotowe o napędzie elektrycznym lub spalinowym (np. wiertarki, szlifierki, piły łańcuchowe),

• źródła technologiczne (np. obrabiane elementy trzymane w dłoniach lub prowadzone w rękach przy procesach szlifowania, gładzenia, polerowania itp.).

5. Skutki oddziaływania drgań mechanicznych na organizm człowieka

SKUTKI BIOLOGICZNE

Drgania przenoszone z układów drgających do organizmu mogą oddziaływać bezpośrednio na poszczególne tkanki i naczynia krwionośne bądź też mogą spowodować wzbudzenie do drgań całego ciała lub jego części a nawet struktur komórkowych.

Długotrwałe narażenie człowieka na drgania wywołuje szereg zaburzeń w organizmie, doprowadzając w krańcowym przypadku do zmian chorobowych zwanych „zespołem wibracyjnym”.

Objawy chorobowe występują zasadniczo jako:

• schorzenia naczyń krwionośnych,

• uszkodzenia kostno-stawowe,

• zaburzenia czynności mięśni i ścięgien,

• zmiany w układzie nerwowym,

• zaburzenia czynności narządów wewnętrznych,

• zaburzenia ogólne,

• schorzenia skory.

Reakcja organizmu ludzkiego poddanego działaniu drgań, jak już zaznaczono, zależna jest m.in. od rodzaju oddziaływania drgań. Inne są skutki biologiczne działania drgań przenoszonych do organizmu człowieka przez kończyny górne, a inne drgań o oddziaływaniu ogólnym.

5.1 Drgania oddziałujące przez kończyny górne

Narażenie na drgania mechaniczne przekazywane na ręce może spowodować zmiany chorobowe w układzie naczyniowym rąk, w układzie kostno-stawowym dłoni i ramienia oraz może wywołać zaburzenia w czynnościach mięśni i ścięgien ręki. Do określenia zaburzeń związanych z narażeniami na drgania miejscowe, powszechnie stosowany jest termin „syndrom wibracyjny układu ręka-ramię (HAVS - hand-arm vibriation syndrome). Najbardziej rozpowszechnioną postacią tego syndromu jest tzw. postać naczyniowa.

U osób narażonych na drgania miejscowe obserwuje się również zmiany w układzie nerwowym objawiające się m.in. zaburzeniami czucia, temperatury i dotyku, drętwieniem i mrowieniem palców i rąk. Jeżeli narażenie na drgania jest kontynuowane, zmiany pogłębiają się, prowadząc do obniżenia zdolności do pracy i innych czynności życiowych.

Zmiany w układzie kostno-stawowym ręki powstają głównie na skutek drgań miejscowych o częstotliwościach mniejszych od 30 Hz. Pracownicy długotrwale narażeni na drgania przekazywane do ręki uskarżają się także na słabość mięśni, ból w rękach i ramionach.

5.2 Drgania o oddziaływaniu ogólnym

Niekorzystny wpływ drgań o oddziaływaniu ogólnym zaznacza się szczególnie w odniesieniu do narządów wewnętrznych człowieka zawartych w klatce piersiowej, jamie brzusznej i jamie nosowo-gardłowej.

Każdy narząd człowieka lub skupisko tkanek, ze względu na różną masę i więzy o rozmaitej elastyczności, posiadają inną częstotliwość drgań własnych (rys.3 ).

Rys. 3. Częstotliwość drgań własnych narządów człowieka

Na skutek drgań ogólnych o różnych częstotliwościach wymuszeń (głównie z zakresu 4 - 20 Hz) i wartościach przyspieszeń przekraczających określoną wartość progową może dojść do pojawienia się rezonansu narządów wewnętrznych (nadmiernego ich „rozhuśtania”). To z kolei może spowodować powstanie zaburzeń w czynnościach narządów, krwotoków wewnętrznych, wybroczyn, a nawet do mechanicznego rozerwania narządów. Drgania te mogą również powodować zaburzenia i schorzenia w organizmie ludzkim tj. zaburzenia narządów równowagi (błędnika), schorzenia kręgosłupa, zaburzenia czynności mięśni i ścięgien, uszkodzenia stawów, pogarszanie się ostrości wzroku, zaburzenia w układzie trawiennym, rozrodczym, krwionośnym.

Podobnie jak dla drgań miejscowych, ryzyko występowania zaburzeń w organizmie człowieka na skutek oddziaływania drgań ogólnych jest tym większe, im dłuższy jest czas ekspozycji na drgania i im większa jest ich intensywność.

SKUTKI FUNKCJONALNE

Poza opisanymi wyżej niepożądanymi skutkami biologicznymi oddziaływania drgań na człowieka należy wymienić też tzw. skutki funkcjonalne. Zalicz się do nich m.in.:

• zwiększenie czasu reakcji ruchowej,

• zwiększenie czasu reakcji wzrokowej,

• zakłócenia w koordynacji ruchów,

• nadmierne zmęczenie,

• bezsenność,

• rozdrażnienie,

• osłabienie pamięci.

Niekorzystne zmiany funkcjonalne prowadzą do obniżenia efektywności i jakości wykonywanej pracy a czasami w ogóle ją uniemożliwiają.

Możliwe skutki oddziaływania drgań mechanicznych na organizm człowieka zarówno biologiczne jak i funkcjonalne przedstawia schematycznie rysunek 4.

Rys. 4 . Skutki szkodliwego oddziaływania drgań na organizm człowieka

6. Metody pomiaru drgań mechanicznych

Zgodnie z normą PN-91/N-01352 przy pomiarach drgań może być zastosowana jedna z trzech następujących metod:

• metoda bezpośrednia 1 polegająca na wykonaniu na kontrolowanym stanowisku pracy pomiarów wartości skutecznych przyspieszenia drgań przy zastosowaniu analizatora,

• metoda bezpośrednia 2 polegająca na wykonaniu na kontrolowanym stanowisku pracy pomiarów wartości ważonych przyspieszenia drgań przy zastosowaniu miernika drgań (wibrometru) lub dawki drgań przy zastosowaniu dozymetru drgań

• metoda pośrednia polegająca na analogowym lub cyfrowym zarejestrowaniu na kontrolowanym stanowisku pracy sygnału przyspieszenia drgań i wykonaniu analizy widmowej zarejestrowanego sygnału w warunkach laboratoryjnych przy zastosowaniu analizatora.

Wybór metody pomiaru zależy od parametru, który ma być mierzony i oceniany. Metodę pośrednią 1 lub pośrednią stosuje się zazwyczaj do oceny drgań ogólnych, gdyż tylko drgania ogólne są oceniane na podstawie widma drgań. Metoda bezpośrednia 2 może być stosowana zarówno w przypadku drgań ogólnych jak i miejscowych.

Przy pomiarach drgań mechanicznych na stanowiskach pracy najczęściej wykorzystywana jest metoda bezpośrednia 2. Pomiary wykonuje się wówczas przy zastosowaniu miernika drgań zwanego wibrometrem, wyposażonego w przetwornik przyspieszeń drgań zwany też czujnikiem drgań lub akcelerometrem. Zadaniem przetwornika jest zmiana mierzonego sygnału przyspieszenia drgań na potencjalny sygnał elektryczny. Najbardziej rozpowszechnione są obecnie przetworniki piezoelektryczne wykorzystujące w procesie przetwarzania zjawisko piezoelektryczne.

7. Metody ograniczania zagrożeń drganiami mechanicznymi

Minimalizowanie zagrożeń powodowanych drganiami mechanicznymi może być realizowane różnymi metodami. Najogólniej metody te można podzielić na metody techniczne i metody organizacyjno-administracyjne.

W grupie metod technicznych można wyróżnić:

• minimalizacji drgań źródła ich powstawania (zmniejszenie wibroaktywności źródeł),

• minimalizacja drgań na drodze ich propagacji,

• automatyzację procesów technologicznych i zdalne sterowanie źródłami drgań.

Ograniczenie zagrożeń drganiami mechanicznymi przez stosowanie metod organizacyjno-administracyjnych to głównie:

• skracanie czasu narażenia na drgania w ciągu zmiany roboczej,

• wydzielenie specjalnych pomieszczeń do odpoczynku,

• przesuwanie do pracy na innych stanowiskach osób szczególnie wrażliwych na działanie drgań,

• szkolenia pracowników w celu uświadomienia ich o występujących zagrożeniach powodowanych ekspozycją na drgania oraz w zakresie możliwie bezpiecznej obsługi maszyn i urządzeń.

Metody organizacyjno-administracyjne powinny być stosowane zwłaszcza tam, gdzie brak jest możliwości ograniczenia zagrożeń metodami technicznymi.

8. Podsumowanie

Zawodowe narażenie na drgania mechaniczne jest problemem badanym zarówno przez służby techniczne jak i medyczne. Źródła nadmiernych drgań mechanicznych, a zatem zagrożenia zdrowia człowieka na skutek tego czynnika występują w wielu środowiskach pracy a szczególnie w przemyśle przetwórczym, budowlanym, kamieniarskim, górnictwie, leśnictwie i rolnictwie oraz wśród obsługi i użytkowników wszelkiego rodzaju pojazdów drogowych, szynowych, statków, samolotów i maszyn budowlanym.

---