CC BY
18
ОБЗОРЫ
К ВОПРОСУ ФИЗИКО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ
ИМПУЛЬСНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Проф. Е. Ц. Андреева-Галанина, В. Р. Усенко
Из кафедры гигиены труда Ленинградского санитарно-гигиенического
медицинского института
Современные знания в области влияния вибрации на организм человека заставляют подходить к ее физико-гигиенической оценке иначе, чем это делалось до настоящего времени. В последние годы особенно остро встал вопрос о характеристике импульсных механических колебаний, генерируемых инструментами ударного действия, а также импульсной вибрации объектов различного транспорта и др.
В технической и гигиенической литературе начиная с 20-х годов нынешнего столетия появились работы, авторы которых пытались дать физическую оценку импульсным колебаниям, возникающим при работе с различными пневматическими инструментами. Впервые Мельхиорн и Гофман ввели понятие о жесткости толчка — отдачи, но физических параметров, которые в полной мере характеризовали бы этот процесс, они не дали. Физические параметры были приведены в более поздних работах, однако они не удовлетворяют запросов гигиены и не могут считаться достаточными для заключения о причинах различного действия отдельных импульсных колебаний на организм человека. О попытках некоторых исследователей дать импульсным колебаниям физическую характеристику указывала Е. Ц. Андреева-Галанина (1956). Еще ранее она отмечала, что удар чувствуется тем более жестким и, следовательно, является более травмирующим, чем быстрее происходит приращение ускорения, т. е. чем короче время наступления максимального значения толчка. Однако определить эту третью производную пути по времени не было возможности, поэтому автор предложил давать характеристику жесткости отдельного толчка по времени достижения максимального значения амплитуды. Однако отсутствие моделирования не позволило развить это высказывание и превратить его из рабочей гипотезы в оформленное исследование. Аналогичные попытки дать гигиеническую характеристику импульсным колебаниям сделаны были и в отношении «общей» вибрации Рейером и Мейстером (Reiher и Meister, 1931). На основании экспериментальных исследований они пришли к заключению, что толчкообразные колебания действуют иначе, чем гармонические. Они установили также, что основное значение имеет первый толчок, а не следующие за ним отдельные затухающие колебания. Кроме выраженности и быстроты нарастания этого первого толчка, несомненное влияние на возникающее ощущение и биологическую реакцию оказывает число толчков в единицу времени. Только при слабой их выраженности, т. е. при амплитудах, лежащих около пороговых величин, число их не играет сколько-нибудь существенной роли. С возрастанием величины амплитуд число толчков приобретает все большее значение в выраженности реакции на них организма. Однако это справедливо только в том случае, если логарифмический декремент затухания невелик. С возрастанием его число толчков теряет свое значение.;
последнее сохраняется только за первым толчком (Е. Ц. Андреева-Га-ланина). Наблюдения Джеклина (ЛаскПп, 1936) и Джейневея (Лапеи'ау, 1948) дают основание заключить о справедливости такого предположения. Именно первый толчок, его абсолютное значение и время действия определяют выраженность реакции организма. К сожалению, моделирование импульсных колебаний и изучение их влияния на организм производили весьма мало, в подавляющем большинстве случаев ограничиваясь оценкой ощущения. Поэтому многие вопросы, связанные с такими колебаниями, остаются открытыми.
Впервые с отрицательным действием толчкообразных колебаний мы столкнулись при исследовании процесса опиловки напильников
(Е. Ц. Андреева-Галанина, А. Ж. Бендин, 1947), производимой на наждачном круге с поперечно нанесенными на нем насечками. При этом на работающего воздействовала вибрация импульсного характера (рис. 1) Основная частота в импульсе была около 17 гц. Несмотря на низкую несущую частоту, вибрация приводила к развитию патологии. Естественно, возникал вопрос о возможном присутствии в ней высоких частот, которые и обусловили возникновение патологической реакции. Однако при гармоническом анализе определена была высшая гармоника около 50 гц при амплитуде 0,01 мм, т. е. во много раз меньше допустимой и абсолютно безопасной. Таким образом исключалась возможность обосновать патологию наличием опасных обертон-ных частот. Причину надо было искать в другом. В порядке рабочей гипотезы было высказано предположение, что лрерывистые импульсные колебания даже малого числа ударов в импульсе (4—5) действуют сильнее, чем периодические колебания большой частоты. Можно было, однако, думать и о том, что отрицательное действие таких колебаний обусловлено большой амплитудой основной частоты. Но это противоречило бы экспериментальным исследованиям и клиническим наблюдениям, которые' свидетельствуют о совершенно иной форме патологии при этом, чем та, которая была установлена у рабочих, занятых опиловкой напильников. Низкая несущая частота никогда не приводит к спазму сосудов, наблюдавшемуся у этой группы обследованных рабочих.
В 1947 г. мы попытались определить суммарное время всего толчка, найдя его значение в 0,08 секунды при амплитуде 2,7 мм. Таким образом, колебательная скорость была в пределах 3,2 см/секу т. е. сравнительно невелика. Скорость же нарастания основного импульса была равна 8 мл/сек.
В связи с тем что мы не имели возможности сравнивать действие прерывистых колебаний с действием иных импульсных колебаний, имеющих различную скорость нарастания основного удара, приведенные характеристики мы рассматривали только как ориентировочные. По-видимому, сами по себе прерывистые импульсные колебания действуют сильнее синусоидальных.
В подтверждение высказанной концепции можно привести литературные данные о воздействии других физических факторов. Так, прерывистое действие ультрафиолетовой радиации (Н. Н. Мищук, 1939) и электрических колебаний (Б. О. Кадыков, 1939) оказывается сильнее, чем постоянное действие при тех же параметрах.
Насколько нам известно, роль прерывистых колебаний в развитии вибрационной патологии в последние годы не исследовалась, хотя.
Рис. 1. Виброграмма при опиловке напильников на наждачных кругах.
несомненно, она оставалась достаточно важной, на что указывают данные В. Р. Усенко (1960). Изучая условия труда рабочих, занятых ручной шлифовкой и полировкой металлических изделий на стационарных станках, он установил, что механические колебания, передаваемые через металл на руки рабочего, носят отчетливо выраженный импульсный характер (рис. 2). Но основная несущая частота была около 50 гц, а амплитуда значительно меньше той, которая при этой частоте может привести к возникновению вибрационной болезни. Поликлиническое обследование показало, однако, довольно значительный процент заболеваний среди обследованной группы рабочих-шлифовщиков и полировщиков с явлениями ангиоспазма и, что особенно примечательно, с костно-сустав-ными изменениями. Последние, как известно, при высоких частотах обычно мало выражены. Развитие такого кардинального симптома, как
!IIMIIIill!llil!lll[|i|IM!lllllll1lllir!lllllllliltnihii::iHli:itlli;i
Рис. 2. Виброграмма скорости, снятая с детали при ручной шлифовке на абразивном круге. Увеличение 1 : 10 (при тарировке по смещению). Отметка времени 500 в секунду.
J \ЛЛ/\ЛЛЛ/\Л/ ХЛЛЛЛЛЛЛ'4
...................................................................................................................имдцци—
Рис. 3. Виброграмма скорости, снятая с детали при ручной полировке на войлочном круге с абразивной накаткой. Увеличение 1:10 (при тарировке по смещению). Отметка времени 500 в секунду.
спазм сосудов, происходит быстрому некоторых рабочих он отчетливо выражен через год от начала работы. Тогда как совершенно аналогичная по частоте и амплитуде вибрация, передающаяся на руки рабочих, занятых на дальнейшей обработке 'этих же деталей на станках с войлочными кругами и только с абразивной накаткой, не приводит к патологическому действию. Характер вибрации в этом случае был близок к гармоническому (рис. 3).
Мы никогда не отрицали значения высоких гармоник, которые усиливают и суммарную жесткостк Но при импульсных колебаниях первенствующее значение, вероятно, принадлежит жесткости первичного толчка как травмирующего фактора. Это можно проиллюстрировать также разбором виброграммы 2. Скорость нарастания основного импульса лежит в пределах менее 2 мл/сек. Удар на ладонную поверхность оказывается достаточно жестким и, несомненно, может вызвать травматизацию периферических рецепторов и рецепторов сосудов. В настоящем случае уместно привести скорость реакции возникновения собственного мышечного рефлекса (безусловного, направленного на противодействие толчкам). Она составляет 20 мл!сек, т. е. длится значительно дольше, чем скорость нарастания толчка. Таким образом, защитная роль этого рефлекса снижается. В то же время работы Вен-невальда (Vennewald, 1941), Хеттингера и Шефлера (Hettinger, Scheffler, 1958), изучавших значение собственного мышечного рефлекса при работе с пневматическим инструментом, указывают на его большую роль в амортизации толчков. В частности, развитие его способствует уменьшению соударений суставных поверхностей лучезапяст-ного и локтевого суставов. Известно также и то, что с наступлением утомления собственный мышечный рефлекс перестает возникать.
На рис. 4 и 5 приведены кривые, снятые 3. М. Бутковской, Ю. А. Агашиным и Ю. С. Корюкаевым, с двух клепальных молотков. На первом приведена кривая неисправного молотка, на втором— исправного. На них отчетливо выступает значительно большая жесткость основного толчка у неисправного клепального молотка,, чем у
исправного. Скорость нарастания импульса у первого была 8—10 мл/сек, у второго — 24—30 мл/сек. Совершенно очевидно, что и реакция на такие толчки не может быть одинаковой.
Если принять преимущественное гигиеническое значение в импульсном колебании жесткости толчка, то возникает вопрос, какими физическими характеристиками ее оценивать. Рейер и Мейстер (рис. 6) считали возможным производить ее по крутизне нарастания, т. е. по продолжительности /у и амплитуде а. По настоящее время существует
.Ojeen ,
Рис. 4. Кривая перемещения корпуса неисправного клепального молотка.
, О. /сен,
Рис. 5. Кривая перемещения корпуса исправного клепального молотка.
мнение, что характеризовать надо первый толчок импульса ускорением. Позднее Е. Ц. Андреева-Галанина предложила производить оценку по скорости нарастания ускорения. По ее мнению, эта третья
производная пути по времени луч--г—ше всех других единиц определяет Т Г \ ^^^ жесткость толчка наряду с време-
? нем достижения максимальной ам-
у ! 1 Ч/ плитуды.
В 1931 г. акад. Е. А. Чудаков указывал, что для ощущения колебаний имеет значение не действующее ускорение, а скорость нарастания его во времени. Этой точки зрения придерживались и другие авторы, в частности те, кто занимался вопросами подвески автомобиля.
Для синусоидальных колебаний измерения могут быть сформулированы следующим образом. Если тело совершает гармоническое колебание с частотой т и амплитудой а, то скорость, ускорение и третья производная пути по времени могут быть найдены путем одно-, двух- и троекратного дифференцирования известного уравнения гармонического колебания.
Рис. 6. Оценка жесткости толчка по крутизне его нарастания.
Z
Z Z
A w eos wt A w2 sin wl\
Л Л
A w3 eos wt
Ь — А 67Я яюЬ
1мах = Аы> — скорость (см/сек); 1мах = Аии2 — ускорение (см/сек2);
¿мах = Лоу3 — третья производная пути по времени (см/сек2)
Для импульсных колебаний последняя величина может быть получена расчетным путем (если колебание синусоидальное) по найденному ускорению. Но ее можно измерить и непосредственно (обязательно для сложных). Нам кажется, что этот последний показатель следовало бы применять для гигиенической оценки отдачи — возвратного удара — толчка, который может служить критерием жесткости последнего и, следовательно, давать представление о травмирующем его действии. Он имеет еще и то значение, что является комплексным и выражается единым показателем. Для того чтобы иметь окончательное суждение о его гигиеническом значении, необходимо собрать мате-
риал, который давал бы возможность оценить биологические реакции организма на различные численные значения этой третьей производной. В настоящее же время имеются только данные об ощущении, возникающем при некоторых значениях третьей производной пути по времени от действия общей вибрации на транспортных объектах ■(см. таблицу).
Характер ощущения Скорость изменения ускорения (в см/сек3) ) Ускорение (в см/сек') • Автор
• Вертикальные колебания
Граница ощущения, комфорт • • . Порог дискомфорта........ Порог исключительного дискомфорта ........•..... 1 1 250 1 770 6 100 199 278. 955 Джейневеи Мейстер
» Горизонтальные • колебания
Беспокоящее Неприятные .......... 380 1 140 60,5 182 Джеклин Лиддель
Мы попытались в этой небольшой статье поднять вопрос о необходимости исследований в области импульсных колебаний. Это имеет очень большое значение применительно к характеристике механических колебаний, возникающих при работе инструментов ударного действия. В настоящее время такую работу ведут Государственный институт гигиены труда и профессиональных заболеваний и кафедра гигиены труда Ленинградского санитарно-гигиенического медицинского института. Но это только начало работ в этой области. Импульсную общую вибрацию изучает Киевский институт гигиены труда и профзаболеваний.
Самым важным в исследованиях, которые, несомненно, будут проводить и многие другие авторы, является установление показателей, не вызывающих патологических изменений в организме, и их численного ¡выражения. Для осуществления этой задачи необходимо в широком плане моделирование, прежде всего с синусоидальными колебаниями. Учитывая, что последние редко встречаются на производстве, следует вести и клиническое обследование рабочих с применением физиологических и биохимических методик для установления ранних сдвигов, которые не могут быть обнаружены обычными клиническими методами. Наряду с ними должна быть получена исчерпывающая по полноте и точности характеристика 'всех параметров импульсных колебаний — основного толчка — удара, его жесткости, времени длительности, числа их в секунду и аплитуды. Особенно необходимо определять изменение ускорения во времени как комплексного и наиболее устойчивого показателя жесткости и время нарастания максимального значения амплитуды.
ЛИТЕРАТУРА
Андреев а-Г а л а н и н а Е. Ц. Вибрации, их гигиеническое значение и меры борьбы с ними. Л., 1940.—(А н д р е е в а-Г а л а н и и а Е. Ц., Бен дин А. Ж. В кн.: Вибрации на производстве. Л., 1947, стр. 91.—А н д р е е в а-Г а л а н и« а Е. Ц. Вибрация и ее значение в гигиене труда. Л., 1956. — Кадыков Б. О. В кн.: Электротравма. Л., 1939, стр. 47.—М и щ у к Н. Н. В кн: Стенографический отчет 1-й сессии Центрального научно-исслед. ин-та физических методов лечения. Севастополь, .1939, стр. 129.— Чудаков Е. А. Испытание автомобиля и его механизмов. М., 1931.—iHasse А., Glückauf, 1932, Bd. 68, S. 697. — Н е 11 i n g е г T h., Scheffle г H., Int. Z. angew. iPhysiol., 1958, Bd. 17, S. 284.—V e n n e w а 1 d H., Arbeitsphysiologie, 1941, Bd. 1,1, .S. 361.—V о i g t O., Glückauf, 1932, Bd. 68, S. 848.
Поступила 1/VII 1961 p.
