改进的振动风险评估方法
手臂振动的 特性
机械振动信号通常较为复杂，可能是设备构造、结构缺陷或使用方式的结果。当人体接触振动机器的表面时，机械振动会直接传递到人体，影响个别组织甚至整个身体。影响人类的振动被称为人体振动，分为全身振动和手臂振动。
在实践中，最危险的是手-臂振动，它可能导致神经系统、血管（心血管）系统和骨关节系统的病理变化。手臂振动发生在上肢之一或两者接触振动表面时。这种振动的典型来源包括任何产生振动的手持工具，如方向盘和控制车辆的操纵杆。手-臂振动的一个特征是其时间上的变异性（Griffin, 1990）。因此，测量结果常常依赖于测量发生的具体时间点。这一特性对于定义测试方法和描述此类振动的测量非常重要。时间上的变异性还影响了决定身体对振动反应的另一个重要因素，即暴露时间（振动暴露的持续时间）。
白指病人体因接触机械振动而产生的变化被认定为一种职业病，称为“振动综合征”（或“振动病”）。最常见形式的振动病是由手臂振动引起的，表现为血管障碍，特征是手指血液循环不良（Kolarzyk, 2008）。症状表现为一个或多个手指的指尖变白，通常被称为“白指病”。目前医学尚无法治愈白指病，因此对这种综合征的治疗主要是缓解症状。因此，避免振动病的唯一有效方法是预防。 雇主有义务保护工人免受振动病的危害，但在履行这一职责时常常遇到困难。常见的预防方法，如轮换从事危险任务的工人或更换动力工具，由于劳动力不足或预算限制往往难以实施。此外，防振手套也不能解决这个问题，因为现场无法测量其实际效果。鉴于这些严重原因，人们期待并等待更为有效的预防措施出现。 |
人体振动测量仪
目前，振动测量是通过配备振动加速度传感器的振动水平计（通常称为“振动剂量计”）进行的。并不是所有振动测量仪都适合用于测量对人体的影响，因此ISO 8041在选择过程中定义了人体振动测量仪的参数，以确保其符合特定要求。根据ISO 8041，测量仪应满足以下最低要求：
显示测量期间的加权平均加速度值，
显示测量期间的频带限制平均加速度值，
显示测量时间，
具备输入传感器灵敏度的选项，
具备测量峰值的选项，
使用其中一个频率加权滤波器（Wb, Wc, Wd, We, Wf, Wh, Wj, Wk, 和 Wm）进行测量，
满足规定的测量范围，
测量范围内线性误差不超过6%，
显示失真—超出测量范围（过载）。
实际上，大多数人体振动测量仪使用压电加速度计，其工作原理基于机械应力在压电材料中引起与其所受加速度成比例的电荷。然而，压电传感器的主要缺点包括易碎、价格高昂以及存在直流漂移（DC-shift）问题。当压电换能器暴露于高频率下的极高加速度，例如没有减震系统的冲击工具时，可能会产生直流漂移，导致振动信号失真，并在振动信号中出现虚假的低频分量。这种失真是由于换能器受到过大瞬态激励而引起的机械过载。因此，任何显示直流漂移迹象的测量结果都应被忽略（根据ISO 5349-2）。
压电加速度计的这些缺点阻碍了测量方法的发展，使其变得困难且昂贵，这也导致了振动法规执行中的例外情况，比如使用计时器（工具计时器）代替人体振动测量仪。
微机电系统（MEMS）近年来，基于MEMS技术（微机电系统）的加速度计已成为压电传感器的替代品。MEMS换能器广泛应用于汽车、计算机和视听行业的微机械系统中。MEMS的构造是一个置于机械悬挂系统框架中的可动质量块，由电阻板组成。由于运动（如振动），在可动板和固定板之间（形成电容器）的电容会发生变化。
MEMS的优势在于其尺寸可以从几微米到毫米不等，这使得它们成为微型化的一个里程碑。基于MEMS的传感器优点众多，包括低成本、低功耗、体积小、抗机械冲击、完全电磁兼容性以及无直流漂移效应。
MEMS加速度计的出现打破了压电加速度计在手臂振动测量中造成的障碍。首先，它显著降低了整个系统的成本。其次，由于其小巧的尺寸，可以将MEMS加速度计附着在人手上，甚至可以在防振手套下使用，而不干扰日常活动，从而提供振动暴露的真实结果。此外，其尺寸允许在同一位置安装力传感器，与三轴加速度评估同步测量接触力。这为改进的手-臂振动评估方法和新的手-臂振动测量标准的创建提供了坚实的基础。 |
▲ 图2.安装有三轴MEMS传感器的手臂振动适配器 |
根据ISO 5349的手臂振动测量技术研究
在评估手臂振动时，基本参数是三轴振动的矢量和，称为ahv，这是计算每日暴露A(8)的基础。为了识别每日暴露，必须确定所有振动源，这意味着要识别工具的所有工作模式（例如，带锤钻孔和不带锤钻孔），以及设备使用条件的变化。这些信息对于正确组织测量至关重要，以涵盖操作员在日常工作中接触手臂振动的尽可能多的常见任务。每种振动源的每日暴露都应分别计算。
在确定影响员工的机械振动源后，下一步是选择最合适的加速度计安装方式。根据ISO 5349，手臂振动应在与手持工具接触的地方测量。最佳位置是把手的中心，这是最具代表性的位置。ISO 5349建议使用轻型传感器以减少测量误差。直接在手部进行的测量需要使用特殊适配器，并推荐在所有三个轴上进行测量。
典型的振动暴露由操作员接触工具的短时间段组成。测量时间应包括有代表性的工具操作时间，测量应从振动设备被接触的那一刻开始，到接触中断或振动停止时结束（ISO 5349-2:2001）。
ISO 5349-2关于振动风险评估的改进方法
根据ISO 5349-1描述的振动暴露评估仅基于握持区域或把手处的振动幅度测量和暴露时间。其他因素，如操作员施加的握持力和进给力、手和臂的姿势、振动方向、环境条件等未被考虑。作为ISO 5349-1的应用，ISO 5349-2没有定义评估这些额外因素的指导方针。然而，认识到报告所有相关信息对于开发改进的手臂振动风险评估方法非常重要（ISO 5349-2:2001）。
SV 103个人手臂振动暴露水平计
本研究使用了符合ISO 8041:2005标准的SVANTEK振动暴露水平计SV 103，该仪器设计用于按照ISO 5349-1和ISO 5349-2的要求进行测量，且配有安装在操作员手上的特殊适配器。手部适配器内部装有最新的MEMS加速度计和接触力传感器。
▲ 图3.振动暴露水平计SV 103
接触力作用于手和振动表面之间，包括推/拉力和握持力。同时评估接触力和振动幅度的必要性已得到普遍认可，并在ISO 15230中有所体现。
▲ 图4.ISO 15230给出的接触力测量示例
加速度和接触力值清晰显示在具有极佳可见度和对比度的OLED屏幕上。测量期间，仪器由其可充电电池供电。SV 103固定在操作员的手臂上，加速度计安装在手上。电缆通过一个固定带绑在手腕处，不会干扰工作活动。
测量任务
任务是在钢筋混凝土块中钻四个孔，此任务由三位操作员完成。每位操作员首先在不戴手套的情况下钻前两个孔，然后戴上符合ISO 10819:1996标准的防振手套再钻两个孔。任务使用带有锤击功能的电钻进行（型号为DeWALT D25103，制造商声明的振动幅度为9.2 m/s²，符合IEC 60745标准）。
▲ 图5.在操作员手臂上安装SV 103振动暴露水平计的典型示例
测量结果
SV103振动暴露水平计记录了以ms-2表示的ahv向量和以牛顿(N)表示的接触力的时间历程，每个任务以200毫秒的测井步长进行(图2、3、4)。数据进一步使用SVANTEK的Supervisor软件(SvantekSpZo.o.，2014年)进行分析。
使用软件提供的工具，使用接触力值的时间历史来确定操作人员接触钻头机械振动的时间。
根据接触力值，得到了以下结果:
▲ 表1.三个任务的测量结果
▲ 图6.AHV矢量和接触力的时间历史(操作者1)
▲ 图 7.AHV 向量和 Force 的时间历程(操作者 2)
▲ 图8.AEQ矢量和力的时间历程(操作者 3)
通过1/3倍频程分析验证暴露时间
此外，还分析了1/3倍频程的频谱图，以确定每个操作员选定暴露时间的频率成分的重复性（图9、图10、图11）。
▲图9.1/3倍频程频谱图（操作员1）
▲图10.1/3倍频程频谱图（操作员2）
▲图11.1/3倍频程频谱图（操作员3）
结果与结论
平均接触力数据分析显示，操作员2在执行任务时使用了最大的力，而操作员3使用的力最小（表1）。值得注意的是，每个操作员的姿势不同——特别是操作员2，他依靠工具工作。这种效果已在技术报告CEN/TR 16391:2012中描述：“不正确的和紧张的姿势往往会使得手与机器把手之间的耦合力高于必要水平”。
对于每位操作员，基于接触力阈值指示的暴露时间计算了每日暴露A(8)值。根据ISO 5349-2的规定，当力值超过阈值的时间短于8秒的时段未被计入计算。
对于操作员1和2，20牛顿(N)的阈值足以确定暴露时间，但对于操作员3，20N的力阈值显得过高，因为这一阈值排除了大量的样本时间段。在这种情况下，选择10N的阈值似乎是正确的。基于此现象，揭示了平均接触力与接触力阈值之间的关系。研究结果显示，接触力阈值应显著低于所考虑时间段内的平均值。
每位操作员的A(8)结果展示了接触力值与振动幅度之间的关系，因此在评估每日暴露时应考虑接触力。
1/3倍频程频谱图的分析证实了暴露时间的选择是正确的，并且有助于评估防振手套使用的效率。频谱图清楚地显示了所有操作员的四次活动，然而，对于操作员1和3，在最后两次钻孔时较高频率上的值较小，这是由于使用了防振手套的结果。操作员2的频谱图（图10）显示所有钻孔的频率成分相似，尽管使用了防振手套。这些结果表明，接触力的增加可能会显著降低防振手套的效率。
主要措施
- 当代非常小的力传感器可以按照ISO5349-2和ISO10819的规定,以手臂适配器的形式安装在基于内存技术的振动加速度计旁边。有了这样一种有效的解决办法,就有可能在整个工作日进行连续的测量,从而减少了抽样限制的不确定性。接触力值的时间历史证明,通过简单地选择力阈值来确定真实的曝光时间是重要的,这是由光谱图分析的支持。
- 例如,根据ISO10819使用适配器,使我们能够比较振动结果和没有防振手套。虽然防振手套的使用效率并不是本研究的主题,但他们的效率降低了较高的接触力值。
- 考虑到所有这些优点和可能性的新范围,这种改进的使用接触力检测手臂振动测量方法是手臂振动测量中的一个里程碑。
- 同时测量耦合力和振动是必要的,因为操作员对手持振动工具施加的不同耦合力对上肢振动传递阶段的影响不同。耦合力改变对振动的暴露及其引起的健康影响.此外,应考虑力量和振动对心血管系统、神经系统、关节和肌肉的协同影响(J.马林诺斯卡-博罗沃斯卡,2012年)。因此,很明显 今后对振动的职业曝光极限的评估也应该考虑振动工具所施加的耦合力。
