УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ
Полезная модель (далее ПМ) относится к области медицины труда и промышленной экологии и может быть использована для проведения медико-биологических исследований при моделировании локальной вибрации, создаваемой ручным инструментом со встроенным двигателем в различных условиях производства.
Вибрация относится к факторам, обладающим значительной биологической активностью, поэтому существует проблема оценки уровня вибрационной нагрузки на тело человека-оператора на различных рабочих местах и в различных рабочих позах. Характер, глубина и направленность функциональных сдвигов со стороны различных систем организма определяются, прежде всего, уровнями, спектральным составом и продолжительностью вибрационного воздействия. Степень распространения вибрации по телу зависит ее частоты и амплитуды, места приложения, направления осей вибрационного воздействия, площади соприкасающихся с вибрирующим объектом участков тела, площадью опоры тела и других условий.
К настоящему времени накоплены многочисленные данные, свидетельствующие о том, что у людей, часто подвергающихся вибрациям, возможно развитие вибрационной болезни. Вибрационная болезнь -профессиональное заболевание, которое обусловлено длительным (не менее 3-5 лет) воздействием вибрации. В основе заболевания лежит сложный механизм нервно-рефлекторных и нейрогуморальных нарушений, которые приводят к развитию застойного возбуждения и последующим стойкими 2
изменениям как в рецепторном аппарате, так и в ЦНС. Медико-биологические исследования влияния вибрации на различные функциональные системы организма и его психику в реальных условиях производства крайне сложны, поскольку для исследования необходимо обеспечение единого по уровню, частоте, длительности и месту приложения вибрационного воздействия. При работе с виброинструментом на производстве воспроизвести такие условия не представляется возможным. Данная ситуация обуславливает поиск технических решений лабораторного моделирования вибрационной нагрузки с максимальным приближением к реальным условиям производства.
Известно устройство для имитационного моделирования рабочего процесса ручной ударной машины на основе математической модели системы «человек-оператор - ударная машина - обрабатываемая среда» (см.: А.Ю. Рутковский, Д.В. Мулов // Hayковi пращ Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Випуск 18, серiя: гiрничо-електромеханiчна. -Донецк: ДонНТУ. - 2010. - С. 242-248.). Моделирование ударной машины позволяет проводить испытания различных виброзащитных систем на задаваемых режимах вибрационной нагрузки.
Недостатком известного устройства является техническая сложность имитационного моделирования, требующего введения многочисленных параметров процесса и коэффициентов, таких как средние значения составляющих входного импеданса руки оператора; коэффициенты демпфирования; коэффициент, учитывающий возникновение реакции обрабатываемой среды; суммарная сила, действующая на рукоятку, состоящая из веса рукоятки и силы нажатия человека-оператора и др.
Известен также стенд для моделирования человека-оператора при вибрационных и ударных воздействиях, включающий вибровозбудитель с блоками автоматического поддержания заданного вибрационного режима, измерительные преобразователи силы; блоки определения медико-биологической информации о состоянии объекта исследования; 3
измерительные преобразователи ускорения; блоки усилителей, фильтров и аналого-цифровых преобразователей, системы ввода информации в ЭВМ и блоки регистрации аналоговой информации (см.: Биомеханические модели человека-оператора при вибрационных и ударных воздействиях. [Электронный ресурс]. URL: http: // www.  (Дата обращения 22.07.2013).
Недостатком этого известного технического решения является ограничение возможности его широкого применения на практике необходимостью обеспечения безопасности испытателей, неадекватностью реакции биоманекенов или животных при динамических испытаниях, сложностью создания экспериментальных стендов и комплексов, а также организации таких исследований. При физическом моделировании ударных воздействий используют антропоморфные манекены, т.е. механические устройства, соответствующие человеку по массово-инерционным свойствам отдельных сегментов и вязкоупругим характеристикам суставов и тканей. Использование таких манекенов, безусловно, один из наиболее эффективных и перспективных методов исследования, однако нужно иметь в виду, что имеются сложности в создании конструкций отдельных узлов и манекенов в целом, трудности в выборе материалов с характеристиками, адекватными сегментам и биологическим структурам тела человека. Математическое моделирование, призванное решать все перечисленные задачи существенно затруднено чрезвычайной сложностью объекта моделирования с точки зрения структуры, механических свойств тканей и нейромышечных реакций.
Наиболее близким по технической сущности устройством может служить имитатор ударной локальной вибрации по Патенту RU 2052220, содержащий виброгенератор и неподвижную опорную панель для приложения вибрационной нагрузки. Принцип работы этого устройства состоит в использовании индукционно-динамического привода с источником импульсного питания, обеспечивающего возникновение отталкивающей 4
силы между полем тока в обмотке возбуждения и полем тока в подвижном якоре. Сила отталкивания передается на руку испытуемого.
Недостаток этого известного устройства заключается в том, что оно ограничено моделированием только ударной нагрузки и не позволяет воспроизводить комплекс локальных вибрационных нагрузок, возникающих в ручных инструментах со встроенным двигателем и вращающимся рабочим элементом. Кроме того, имеется сложность в эксплуатации известного устройства, связанная с наличием сменных пружин, предназначенных для выбора амплитудно-временных характеристик моделируемого удара. Определенную сложность имеет также конструкция устройства, требующая производственных условий его изготовления.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи обеспечения моделирования локальной вибрации, максимально приближенно к реальным условиям труда с ручным инструментом со встроенным двигателем и ударно-вращающимся рабочим элементом, а также упрощение конструкции и эксплуатации устройства.
Согласно полезной модели эта задача решается за счет того, что в качестве виброгенератора использован ручной инструмент со встроенным двигателем, например, дрель или перфоратор, рабочий вибрирующий элемент представляет собой цилиндрический стержень, закрепленный в патроне виброгенератора, свободный конец которого размещен в цилиндрическом углублении, выполненном в неподвижной панели с возможностью центрировать упомянутый рабочий элемент, опорная панель выполнена из дерева и жестко закреплена в вертикальном положении, а диаметр цилиндрического стержня не превышает диаметр углубления.
Достоинством ПМ, включающей в качестве виброгенератора ручной инструмент со встроенным двигателем, например, дрель или перфоратор, является максимальное приближение к реальным условиям труда и простота реализации. Конструкция опорной панели исключает его сдвиговые движения в плоскости перпендикулярной к оси приложения силы за счет 5
центрующего углубления в опорной панели. Кроме того, ПМ позволяет моделировать различные позы (стоя, сидя) работника в процессе работы с виброгенератором.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленной ПМ, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность ПМ поясняется чертежом - фиг. 1.
На фиг. 1 приведена схема заявляемой ПМ, включающая: 1 - виброгенератор, 2 - рабочий вибрирующий элемент, представляющий собой цилиндрический стержень, закрепленный в патроне виброгенератора, 3 - цилиндрическое углубление в опорной панели, 4 - опорная панель.
ПМ работает следующим образом.
В качестве виброгенератора 1 выбирают ручной инструмент со встроенным двигателем, например, дрель или перфоратор, в патроне которого закрепляют рабочий вибрирующий элемент 2, представляющий собой цилиндрический стержень, свободный конец которого размещают в цилиндрическом углублении 3, выполненном в неподвижной опорной панели 4 с возможностью центрировать упомянутый рабочий элемент 3, причем опорная панель 4 выполнена из дерева и жестко закреплена в вертикальном положении, а диаметр цилиндрического стержня 2 не превышает диаметр углубления 3. Для измерения локальной вибрации на требуемых согласно задачам исследования областях тела, например, на голове и дистальных отделах рук и ног испытуемого и блоках ПМ фиксируют датчики вибрации. Испытуемого располагают в требуемом для исследования положении. Затем испытуемый, держа в руке виброгенератор 1, создает на него заданный рабочий нажим и по команде включает электродвигатель виброгенератора 1 на установленный исследованием период времени, например, 15 сек, 1 мин и др. В процессе работы виброгенератора производят измерение параметров вибрационной нагрузки с помощью измерителя, например, шумомера-виброметра «Экофизика 110А», «Анализатора спектра ZET 017-U8» и др., 6
имеющего выход на ЭВМ для статистической обработки результатов и формирования базы данных.
Пример реализации полезной модели.
Для реализации и апробации полезной модели в качестве виброгенератора 1 была использована стандартная дрель STERN Austria model ID13DN-C; 220 В-50 Гц, эл. двигатель 550 Вт, 0-2600 об/мин. Дрель использовали в режиме перфоратора, создавая ударную вибрационную нагрузку. В качестве рабочего вибрирующего элемента 2 применяли сверло диаметром 10 мм, установленное в цилиндрическом углублении 3 обратным (нерабочим) концом. Опорная панель 4 представляла собой деревянную доску толщиной 15 мм, жестко зафиксированную в вертикальном положении, в которой было выполнено цилиндрическое углубление 3. Для измерения параметров вибрационной нагрузки использовали портативный шумомер-виброметр «Экофизика 110А» в режиме «локальная вибрация», позволяющий измерять среднеквадратичные, максимальные и минимальные уровни виброускорения и частотные спектры вибрационной нагрузки. Датчик вибрации этого прибора располагали на теле испытуемого по центру затылочной области головы и внешних сторонах голеней и запястий, причем ориентировали датчик таким образом, чтобы его координатная ось X находилась продольно конечностям, а на голове в сагиттальной плоскости. Некоторым неудобством использования прибора «Экофизика 110А» являлось наличие у него только одного канала измерения вибрации. Для оценки распределения вибрации по телу это требовало перестановки датчика по участкам тела испытуемого, т.е. выполнять последовательные измерения вибрационной нагрузки по участкам тела.
Апробацию ПМ проводили на семи испытуемых-добровольцах. Испытуемый брал в правую руку дрель с выставленным режимом «перфоратор» и зажатым в патроне рабочим вибрирующим элементом 2, устанавливал рабочий вибрирующий элемент, в данном случае - сверло, тупым концом в цилиндрическое углубление 3, затем по сигналу 7
экспериментатора включал электродвигатель дрели и имитировал сверление 15-20 секунд с максимальным нажимом и мощностью дрели. Замеры уровня вибрации проводили однократно для каждого оператора и однократно для каждого положения датчика вибрации. Результаты измерений, сохраненные в памяти прибора, переносили в компьютер с установленной специальной программой для прибора «Экофизика-110А», обеспечивающей анализ и статистическую обработку показателей. Значения локальной вибрации, полученные при проведении данной апробации ПМ, не превышали предельно допустимые уровни.
Результаты апробации продемонстрировали эффективность применения заявляемой ПМ, подтвердили возможность достижения цели создания и назначения ПМ, а именно, моделирования локальной вибрации, максимально приближенно к реальным условиям труда с ручным инструментом со встроенным двигателем и ударно-вращающимся рабочим элементом, а также простоту ее реализации и эксплуатации.
Устройство для моделирования локальной вибрации может быть реализовано в лабораторных условиях из доступных материалов и оборудования. Для оценки распределения вибрации по телу в качестве измерителя вибрационной нагрузки вместо прибора «Экофизика-110А», можно использовать другие модели измерителей вибрации, например, «Анализатор спектра ZET 017-U8», имеющий 8 параллельных каналов.
Учитывая распространенность ручного инструмента со встроенным двигателем в различных отраслях промышленности и актуальность исследований воздействия локальной вибрации на организм человека в лабораторных условиях, заявляемая ПМ может быть использована в области медицины труда и промышленной экологии. ПМ дает возможность проведения медико-биологических исследований при моделировании локальной вибрации в одинаковых условиях идентичных производственным. Это обеспечивает заявляемой полезной модели соответствие условию патентоспособности «промышленная применимость».