Механічні коливаня

Механічні небезпеки

ВСТУП

Під механічними небезпеками розуміють такі небажані впливи на людину, походження яких обумовлене силами гравітації або кінетичною енергією тіл.

Механічні небезпеки створюються об’єктами природного та штучного походження, що падають, рухаються та обертаються. Наприклад, механічними небезпеками природної властивості є обвали та каменепади в горах, снігові лавини, селі, град та ін. Носіями механічних небезпек штучного походження є машини та механізми, різне обладнання, транспорт, будівлі та споруди та багато інших об’єктів, що діють в силу різних обставин на людину своєю масою, кінетичною енергією або іншими властивостями.

В результаті дії механічних небезпек можливі тілесні пошкодження різної важкості. Згідно статистиці кожного року в Росії в результаті дорожньо-транспортних пригод гинуть близько 100 чоловік і значно більша кількість отримує травми. Це більше, ніж від інших небезпек узятих разом.

Величину механічних небезпек можна оцінити по-різному. Наприклад, за кількістю руху mv, кінетичною енергією 0,5 mv², запасеною енергією mgh (m, v ¾ маса та швидкість тіла відповідно, h ¾ висота, g ¾ прискорення вільного падіння).

Об’єкти, що являють собою механічну небезпеку, можна поділити за наявністю енергії на два класи: енергетичні та потенційні. Енергетичні об’єкти діють на людину, тому що мають той чи інший енергетичний потенціал. Потенційні механічні небезпеки позбавлені енергії. Травмування у цьому випадку може статися за рахунок енергії самої людини. Наприклад, колючі, ріжучі предмети (цвяхи, що стирчать, задирки, леза тощо) являють собою небезпеку при випадковому контакті людини з ними. До потенційних небезпек відносяться також такі небезпеки, як нерівні та слизькі поверхні, по яким рухається людина, висота можливого падіння, відкриті люки та ін. Перераховані безенергетичні небезпеки є причиною численних травм (переломів, вивихів, струсів головного мозку, падінь, забитих місць).

Механічні небезпеки поширені у всіх видах діяльності людей усіх вікових груп: серед дітей, школярів, домогосподарок, людей старшого віку в спортивних іграх, побутовій та виробничій діяльності.

Захист від механічних небезпек здійснюється різними способами, характер яких залежить від конкретних умов діяльності. Добре розроблені також способи надання до лікарняної допомоги та лікування наслідків механічних небезпек.

До механічних коливань відносяться вібрація, шум, інфразвук, ультразвук, гіперзвук.

Загальною властивістю цих фізичних процесів є те, що вони пов’язані з перенесенням енергії. За певної величини та частоти ця енергія може справляти несприятливу дію на людину: викликати різні захворювання, створювати додаткові небезпеки. Тому необхідно вивчити властивості цих небезпечних явищ, вміти вимірювати параметри коливань і знати методи захисту від них.

Вібрація Вібрацією називаються механічні коливання, яким піддається яке-небудь тіло. Причиною вібрації є неурівноважені силові дії. Вібрація знаходить корисне застосування у медицині (вібраційний масаж) та у техніці (вібратори). Однак тривалий вплив вібрації на людину є небезпечним. Вібрація при певних умовах є небезпечною для машин та механізмів, тому що може викликати їх руйнування.

Розрізняють загальну і локальну (місцеву) вібрації.

Загальна вібрація викликає струс всього організму, місцева впливає на окремі частини тіла. Інколи працюючий може одночасно піддаватися загальній та місцевій вібрації (комбінована вібрація). Вібрація порушує діяльність серцево-судинної та нервової систем, викликає вібраційну хворобу. Особливо небезпечна вібрація на резонансних та навколо резонансних частотах (6-9 Гц).

Основними параметрами, що характеризують вібрацію, є: амплітуда зміщення, тобто величина найбільшого відхилення точки, що коливається, від положення рівноваги; амплітуда коливальної швидкості та коливального прискорення; період коливань - час між двома послідовними однаковими станами системи; частота f, що пов’язана з періодом певним співвідношенням:

f = 1/Т.

Через специфічні властивості органів чуттів людини, для характеристики вібрації використовують середньоквадратичні швидкості V² = V²g₀.

Абсолютні значення параметрів вібрації вимірюються в широких межах. Тому зручніше користуватися рівнем параметрів. Рівень параметра - це десятикратний логарифм відношення абсолютної величини параметра до деякої величини, прийнятої за початок відліку (поріг, опорне значення). Вимірюються рівні у децибелах (дБ).

Рівень коливальної швидкості визначається за формулою:

= 10 lg= 20 lg, дБ,

де V₀ ¾ опорне значення коливальної швидкості (м/с), вибране міжнародною угодою, що дорівнює V₀ = 5 × 10^-8.

Рівень L_V є основною характеристикою вібрації.

Спектри вібрації показують залежність між рівнями складових та частотою Спектри бувають дискретні, суцільні та змішані. Дискретний спектр характерний для періодичного або квазіперіодичного коливального процесу, суцільний ¾ для випадкового, змішаний ¾ для їх сполучення. Зображення суцільного спектру вимагає обов’язкової обмовки щодо ширини Df елементарних частотних смуг. Якщо f₁ ¾ нижня гранична частота даної смуги частот, f₂ ¾ верхня гранична частота, то у якості частоти, що характеризує смугу загалом, береться середня геометрична частота f = . Аналіз вібрації ведеться в октавних смугах, при цьому f₂ / f₁ = 2, або у третьоктавних смугах, при цьому f₂ / f₁ = , а f_CГ = f₁. Середні геометричні частоти октавних смуг стандартизовані і знаходяться в межах 1¼2000 Гц.

Нормування вібрації. Розрізняють санітарно-гігієнічне та технічне нормування вібрації. Вібрація нормується за стандартами та іншими правилами і нормами. Для вимірювання вібрацій використовується апаратура типу «ИШВ», фірм RFT (Роботрон), «Брюль-К’єр».

Захист від вібрації. Існує кілька основних напрямків боротьби з вібрацією. Боротьба з вібрацією у джерелі її виникнення передбачає конструювання та проектування таких машин та технологічних процесів, у яких виключені або зменшені неурівноважені сили, відсутня ударна взаємодія деталей, замість підшипників кочення використовуються підшипники ковзання. Застосування спеціальних видів зачеплення та чистоти поверхні шестерні дозволяють зменшити рівень вібрації на 3¾4 дБ. Усунення дисбалансу мас, що обертаються, досягається балансуванням.

Відставка від режиму резонансу досягається абр зміною характеристик системи (маси та жорсткості) або зміною кутової швидкості. Характеристики жорсткості системи вимірюються введенням у конструкцію ребер жорсткості або зміною її пружних характеристик.

Вібродемпфування ¾ це зменшення вібрації об’єкту шляхом перетворення її енергії в інші види (у кінцевому рахунку ¾ в теплову енергію). Збільшення втрат енергії можна досягти різними прийомами: застосуванням матеріалів з великим внутрішнім тиском; використанням пластмас; дерева, гуми; нанесенням шару пружних та в’язких матеріалів, що мають великі втрати на внутрішнє тертя
(руберойд, фольга, мастики, пластичні матеріали тощо). Товщина
покриття береться такою, що дорівнює 2-3 товщинам елементу конструкції в якому потрібно зменшити вібрації. Добре зменшують вібраційні коливання змащувальні мастила.

Вібраційне гасіння ¾ це спосіб зменшення вібрації шляхом уведення в систему додаткових реактивних імпедансів (опорів). Частіше всього для цього вібруючі агрегати встановлюють на масивні фундаменти. Одним із способів збільшення реактивного опору є установка віброгасників. Найбільше поширення отримали динамічні віброгасники.

f₀ = 1 / 2p= f

У цьому випадку підбираються віброгасники з масою m та жорсткістю q, власна частота яких f₀ настроєна на основну частоту f агрегату, що має масу M та жорсткість Q.

Коливання віброгасника у кожний момент часу знаходяться у протилежній фазі з коливаннями агрегату.

Іншим типом віброгасників є буферні резервуари, що слугують для перетворення пульсуючого потоку газу в рівномірний.

Віброізоляція ¾ це спосіб зменшення вібрації захищеного об’єкту çà допомогою введення в систему пружного зв’язку, що перешкоджає передачі вібрації від джерела коливань до основи та суміжних елементів конструкцій. Ефективність віброізоляції оцінюється за коефіцієнтом передачі:

КП = ,

де F_ОСН ¾ сила, що діє на основу; F_маш ¾ сила збурення, створювана машиною.

Чим менший КП, тим краща віброізоляція. Добра віброізоляція досягається за КП = 1/8¼1/15. Коефіцієнти передачі можна розраховувати за формулою:

КП = ,

де f ¾ частота сили збурення; f₀ ¾ власна частота системи на ізоляторах. Ефективність віброізоляції звичайно оцінюють у децибелах, використовуючи формулу:

D L = 20 lg 1/КП

Прикладом вібраційного захисту можуть слугувати також гнучкі вставки у повітропроводах, «плаваючі підлоги», ізолюючі від вібрацій опори (для ізоляції машин з вертикальною силою збурення).

У промисловості знаходить застосування активний вібраційний захист, який передбачає введення додаткового джерела енергії (сервомеханізму), за допомогою якого здійснюється зворотній зв’язок від об’єкту, що ізолюється, до системи вібраційної ізоляції. Для захисту від вібрації застосовуються спеціальні засоби індивідуального захисту (рукавиці).

Шум. Будь-який небажаний звук називають шумом. Шум шкідливий для здоров’я, зменшує працездатність, підвищує рівень небезпеки. Тому необхідно передбачати заходи захисту від шуму. А для цього потрібно володіти відповідними знаннями.

Фізичні характеристики шуму. Шум - це механічні коливання, що поширюються у твердому, рідкому та газоподібному середовищі. Частки середовища при цьому коливаються відносно положення рівноваги. Звук поширюється у повітрі зі швидкістю 344 м/с.

Шум створюється джерелом, яке має певну потужність Р. Потужність, яка припадає на одиницю площі, перпендикулярної до напрямку поширення звука, називається інтенсивністю звука g. Якщо джерело шуму знаходиться у сфері радіуса r, то середня інтенсивність звука на поверхні цієї сфери дорівнює:

g_ср = × 1/p, Вт/м²

Тиск Р, що виникає в середовищі при проходженні звука, називається акустичним. Він вимірюється у Н/м². або Па. На слух діє квадрат звукового тиску. Інтенсивність звуку пов’язана зі звуковим тиском через залежність:

І = .

Абсолютні значення інтенсивності та тиску змінюються у широких межах. Користуватися абсолютними значеннями цих характеристик шуму незручно. Крім того відчуття людини пропорційні до логарифма подразника (закон Вебера-Фехнера). Тому введені особливі показники, так звані рівні, які виражені у децибелах (дБ). Рівень інтенсивності шуму визначається за формулою:

L_I = 10 lg, дБ

де І₀ ¾ інтенсивність, що відповідає порогу чутності, І₀ = 10^-12 Вт/м².

Рівень звукового тиску дорівнює:

L_Р = 10 lg= 20 lg, , дБ

де Р₀ = 2 × 10^-5 Н/м² = Па ¾ тиск порогу чутності.

Слуховий апарат людини найбільш чутливий до звуків високої частоти. Тому для оцінки шуму необхідно знати його частоту, яка вимірюється в герцах (Гц), тобто числом коливань на секунду. Вухо людини сприймає звукові коливання у межах 16¼16000 Гц. Нижче 16 Гц та вище 16000 Гц знаходяться відповідно області нечутних людиною інфразвуків та ультразвуків. Залежність рівнів від частоти називається спектром шуму. Спектри шуму (як і вібрації) бувають дискретними, суцільними та змішаними. У суцільних спектрів інтервали між частотними складовими безкінечно малі.

На практиці, для боротьби з шумом використовуються октавні смуги, тобто f₂/f₁ =2. Використовується такий ряд середньо-геометричних октавних смуг: 63, 125, 250, 500, 2000, 4000, 8000 Гц. Спектри показуються у вигляді таблиць або графіків.

Суб’ºêòèâíå сприйняття шуму оцінюється за кривими рівної гучності.

Якщо необхідно знайти загальний рівень шуму кількох джерел, то додаються інтенсивності, але не рівні. Загальний рівень шуму L кількох однакових джерел n з рівнем L₁ дорівнює L = L_i + 10 lg n, дБ.

Джерела шуму можуть випромінювати енергію за напрямками нерівномірно. Ця нерівномірність характеризується коефіцієнтом Ф, що дорівнює:

Ф = = .

У знаменнику середнє значення інтенсивності та тиску (вважається, що енергія випромінюється в сферу).

Спрямованість характеризують показником спрямованості ПС:

ПС = 10 lg Ф = 20 lg= L - L_с.

Рівні звукового тиску, створювані однією і тою самою машиною, можуть суттєво відрізнятися у залежності від умов улаштування: у приміщенні або на відкритому повітрі. Але звукова потужність залишається незмінною. Рівень звукової потужності L_P = 10 lg Р/Р₀, дБ, де Р₀ - порогова потужність, що дорівнює 10^-12 Вт.

Встановлені такі методи визначення шумових характеристик машин:

1. метод звукового поля;

2. метод відбитого звукового поля;

3. метод зразкового джерела шуму;

4. метод вимірювання шумових характеристик на відстані 1 м від зовнішнього контуру машини.

Найбільш точні перші два методи:

Шкідливий вплив шуму залежить і від тривалості перебування людини у несприятливих у акустичному відношенні умовах. Тому введено поняття дози шуму. Доза шуму ¾ Д в Па² × год. ¾ інтегральна величина, що враховує акустичну енергію, що діє на людину за певний період часу. Доза шуму визначається за формулою:

D =

Допустима доза шуму дорівнює:

Д_доп = Р²_А.ДОП Т_Р.Д.,

де Р_А.ДОП ¾ допустимий тиск (за шкалою А), Па; Т_Р.Д. ¾ тривалість дії шуму, год.

Нормування шуму. Нормування може здійснюватися кількома методами:

а) за граничним спектром ГС. ГС ¾ це вісім нормативних рівнів звукового тиску на частотах від 31,5 до 8000 Гц (в октавних смугах); б) нормування рівня звуку в дБА; в) за дозою шуму;

Методи боротьби з шумом. Завданнями акустичного розрахунку є:

1. визначення рівня звукового тиску в розрахунковій точці, коли відоме джерело шуму та його шумові характеристики;

2. визначення величини зменшення шуму.

3. розробка заходів із зменшення шуму до допустимої величини.

Для зменшення шуму можуть бути застосовані наступні методи:

1. зменшення шуму в джерелі;

2. зміна спрямованості випромінювання;

3. раціональне планування підприємств та цехів, акустична обробка приміщень;

4. зменшення шуму на шляху його поширення;

5. засоби індивідуального захисту від шуму.

Вимірювання шуму. Вимірювання шуму виконують з метою визначення рівнів звукових тисків на робочих місцях та відповідності їх санітарним нормам, а також для розробки та оцінки ефективності різних заходів з глушіння шуму.

Основним приладом для вимірювання шуму є шумомір. У шумомірі звук, що сприймається мікрофоном, перетворюється у електричні коливання, які підсилюються, потім проходять через фільтри корекції та випрямляч і реєструються приладом зі стрілкою.

Діапазон вимірюваних сумарних рівнів шуму звичайно складає 30-130 дБ за частотних меж, що дорівнюють 5¾8000 Гц.

Шумоміри мають перемикач, що дозволяє виконувати виміри за трьома шкалами: А, В, С (або за лінійною шкалою).

У шумомірах використовують електродинамічні та конденсаторні мікрофони.

Для визначення спектрів шуму шумомір підключають до фільтрів та аналізаторів.

У ряді випадків шум записується на магнітофон (через шумомір) а потім в лабораторних умовах аналізується.

Вимірювання шуму на робочих місця промислових підприємств виконують на рівні звуку 2/3 включеного працюючого обладнання.

У теперішній час для вимірювань шуму використовують вітчизняні шумоміри Ш-70, прилад ІШВ в комплекті з октавними фільтрами. Для аналізу шуму застосовують спектрометр С34.

Із закордонних приладів добрі характеристики мають акустичні комплекти фірм «RFT» та «Брюль і К’єр».

Інфразвук. Область коливань, нечутна для людини. Звичайно верхньою границею інфразвукової області вважають частоти 16¾25 Гц. Нижня границя інфразвуку невизначена.

Інфразвук виникає в атмосфері, в лісі, на морі (так званий голос моря). Джерелом інфразвуку є грім, вибухи, гарматні постріли, землетруси.

Для інфразвуку характерне мале поглинання. Тому інфразвукові хвилі у повітрі, воді та в земній корі можуть поширюватися на дуже великі відстані. Ця властивість інфразвуку використовується як передвісник стихійних лих, для дослідження властивостей атмосфери та водяного середовища води.

Захист від інфразвуку являє собою серйозну проблему.

Ультразвук. Ультразвук знаходить широке застосування у металообробній промисловості, машинобудуванні, металургії тощо. Частота застосовуваного ультразвуку від 20 кГц до 1 мГц, потужності ¾ до кількох кіловат.

Ультразвук справляє шкідливий вплив на організм людини. У працюючих з ультразвуковими установками нерідко спостерігаються функціональні порушення нервової системи, зміни тиску, складу та властивості крові. Частішають скарги на головні болі, швидку втомлюваність, втрату слухової чутливості.

Ультразвук може діяти на людину як через повітряне середовище, так і через рідке або тверде (контактна дія на руки).

Рівні звукових тисків в діапазоні частот від 11 до 20 кГц не повинні перевищувати відповідно 75¾110 дБ, а загальний рівень звукового тиску в діапазоні частот 20¾100 кГц не повинен перевищувати 110 дБ.

Захист від дії ультразвуку при повітряному опроміненні може бути забезпечений:

¨ шляхом використання в обладнанні більш високих частот, для яких допустимі рівні звукового тиску вищі;

¨ шляхом застосування обладнання, що випромінює ультразвук, у звукоізолюючому виконанні (типу кожухів). Такі кожухи виготовляють з листової сталі або дюралюмінію (товщиною 1 мм) з обклеюванням гумою або руберойдом, а також із гетинаксу (товщиною 5 мм). Еластичні кожухи можуть бути виготовлені з трьох шарів гуми загальною товщиною 3-5 мм. Застосування кожухів, наприклад, в установках для очищення деталей, дає зменшення рівня ультразвуку на 20-30 дБ у чутному діапазоні частот та 60-80 дБ - в ультразвуковому;

¨ шляхом улаштування екранів, у тому числі прозорих, між обладнанням та працюючим;

¨ шляхом розташування ультразвукових установок у спеціальних приміщеннях, загородках або кабінах, якщо перерахованими вища заходами неможливо отримати необхідний ефект.

Захист від дії ультразвуку при контактному опроміненні полягає в повному виключенні безпосереднього доторкання працюючих до інструмента, рідини та виробів, оскільки такий вплив найбільш шкідливий.

Завантажування та вивантажування деталей повинно виконуватися за умови, що джерело ультразвука вимкнене. У тих випадках, коли вимикання установки небажане, застосовують спеціальні пристосування, наприклад, у ваннах для очищення вироби занурюють у ванну в сітках, споряджених ручками з ізолюючим від вібрації покриттям (шпариста гума, поролон тощо).

3. Електромагнитні поля (ЕМП)

Характеристики ЕМП. Будь-яке електромагнітне явище, розглянуте загалом, характеризується двома сторонами ¾ електричною і магнітною, між якими існує тісний зв’язок. Електромагнітне поле (ЕМП) також має завжди дві взаємопов’язані сторони ¾ електричне поле і магнітне поле. Разом з тим можна створити умови, при яких у деякій області простору âèÿâëÿþòüñÿ тільки електричні або тільки магнітні явища. Таким є, наприклад, випадок заряджених нерухомих ïðîâ³äíèõ ò³ë, зовні яких реєструється тільки електричне поле. Аналогічно в просторі, що оточує нерухомі постійні магніти, реєструється тільки магнітне поле. Як видно із розглянутих прикладів, мова йде тільки про статичні поля. Однак і в цих випадках, якщо розглядати явище загалом, неважко побачити як електричну так і магнітну сторону. Оскільки можна створити умови, за яких проявляється одна з складових ЕМП, то можливе і роздільне випромінювання електричного та магнітного полів, а також визначення тільки одного з полів у цілому ряді практичних завдань.

Електромагнітне поле являє собою особливу форму матерії. Будь-яка заряджена електрикою частинка оточена електромагнітним полем, що складає з нею єдине ціле. Але електромагнітне поле може існувати також у вільному, відокремленому від заряджених частинок, стані у вигляді фотонів, що рухаються з швидкістю близькою до 3×10⁸ м/с, або взагалі у вигляді випромінюваного електромагнітного поля (електромагнітних хвиль), що рухається з такою самою швидкістю.

ЕМП, що рухається (електромагнітне випромінювання ЕМВ), характеризується векторами напруженості електричного Е (В/м) та магнітного Н (А/м) полів, що відображають силові властивості ЕМП.

В електромагнітній хвилі вектори Е і Н завжди взаємно перпендикулярні. У вакуумі та повітрі Е = 377 Н. Довжина хвилі l, частота коливань f та швидкість поширення електромагнітних хвиль в повітрі с пов’язані із співвідношенням с = l f. Наприклад, для промислової частоти f = 50 Гц довжина хвилі l = 3×10⁸/50 = 6000 км, а для ультракоротких частот f = 3×10⁸ Гц, довжина хвилі дорівнює 1 м. Навколо джерела ЕМП виділяють ближню зону, або зону індукції, яка знаходиться на відстані R £ l/2p» l/6, та дальню зону, або зону випромінювання, у якій R>l/6. В діапазоні від низьких частот до короткохвильових випромінювань частотою < 100 МГц. ЕМП навколо генератора потрібно розглядати як поле індукції, а робоче місце ¾ таким, що знаходиться в зоні індукції. У зоні індукції електричні та магнітні поля можна вважати незалежними одне від одного. Тому нормування у цій зоні ведеться як за електричною, та і за магнітною складовою. В зоні випромінювання (хвильовій зоні), де вже сформувалася електромагнітна хвиля, що біжить, найбільш важливим параметром є інтенсивність, яка у загальному вигляді визначається векторним добутком Е на Н, а для сферичних хвиль при розповсюдженні в повітрі може бути виражена так:

І = × 1/p, де Р_ДЖ - потужність випромінювання.

Дата добавления: 2014-01-04