72719

Безопасность жизнедеятельности, лабораторный практикум

Книга

Безопасность труда и охрана жизнедеятельности

Исследование параметров естественного и искусственного производственного освещения. Исследование производственного шума и эффективности борьбы с ним. Исследование условий воспламенения горючих веществ от статического электричества...

Русский

2015-01-15

11.15 MB

63 чел.

Безопасность жизнедеятельности

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Под общей редакцией профессора, доктор технических наук  Г. В. Тягунова

доцента, кандидата технических наук А. А. Волковой

Екатеринбург

УРФУ

2011


ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

общие указания по выполнению
лабораторных работ .......................................................................

3

исследование запыленности воздуха на рабочих местах .................................................................................................................

6

Исследование параметров естественного и искусственного производственного освещения ..................

17

Исследование производственного шума и эффективности борьбы с ним ...............................................................

33

Исследование эффективности виброизоляции ......................

57

Электробезопасность .................................................................................

82

Исследование процесса тушения пламени в зазоре ....

134

Исследование условий воспламенения горючих веществ от статического электричества.....................................

143

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................

155

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................

159


ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

  1.  Выполнению лабораторной работы должно предшествовать самостоятельное изучение студентами теоретического материала по данной теме.
  2.  Студенты допускаются к выполнению лабораторной работы после сдачи коллоквиума по теоретическому материалу и порядку выполнения работы;
  3.  Результаты выполнения работы оформляются отчетом, который представляется на проверку преподавателю.
  4.  Отчет должен содержать следующие данные:
    •  титульный лист, на котором указывается название работы, Ф.И.О. и номер группы студента, Ф.И.О. преподавателя;
    •  цель работы;
    •  схему экспериментальной установки с подрисуночными подписями;
    •  таблицу с результатами измерений, расчеты, графики;
    •  выводы по работе с обязательными ссылками на нормативные документы, на основании которых сделан вывод.
  5.  Форма отчета должна быть подготовлена заблаговременно.

меры безопасности при выполнении
лабораторных работ

Общие правила

  1.  При выполнении работ надо быть внимательным, помня, что неаккуратность и нарушение дисциплины во время занятий могут привести к несчастному случаю.
  2.  В случае возникновения сомнений при выполнении порученной работы немедленно прекратить работу и обратиться к руководителю за разъяснением по правильным и безопасным приемам работы.
  3.  Не следует выполнять никаких работ в лаборатории, не связанных с выполнением порученного задания, и работы следует выполнять в соответствии с методическим руководством.
  4.  Следует аккуратно обращаться с приборами и оборудованием в лаборатории.
  5.  О происшедшем несчастном случае немедленно доложить преподавателю, ведущему занятия.
  6.  Перед началом занятия средства связи выключить или установить беззвучный режим.
  7.  Приборы включаются после сдачи коллоквиума.
  8.  При включении и выключении электроприборов вилку держать за корпус, а не за шнур.
  9.  При перерывах в работе обязательно выключать электроприбор или установку.
  10.   Не производить ремонт самостоятельно на электроустановках и приборах, обо всех неисправностях оборудования сообщать преподавателю ведущему занятие.
  11.   Включать приборы и установки только на время измерения.
  12.   После окончания измерений необходимо выключить установку или приборы.
  13.   Привести в порядок рабочее место.
  14.   Измерительные приборы и методические руководства возвратить преподавателю, ведущему занятия с группой.
  15.   Сделать отметку о выполнении работы у преподавателя, ведущего занятия с группой.


ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА
НА РАБОЧИХ МЕСТАХ

Цель работы – практически ознакомиться с методикой определения концентрации пыли в воздухе и по полученным результатам определить класс опасности условий труда по пылевому фактору.

Общие сведения

Понятие и классификация пыли

Понятие «пыль» характеризует физическое состояние вещества, т.е. раздробленность его на мелкие частицы.

пары и газы образуют с воздухом смеси; взвешенные в воздухе твердые частицы представляют собой дисперсные системы, или аэрозоли.

Пылеобразование происходит при дроблении, размоле, перетирке, шлифовке, сверлении и других операциях (аэрозоли дезинтеграции). Пыль образуется также в результате конденсации в воздухе паров тяжелых металлов и других веществ (аэрозоли конденсации). 

Аэрозоли подразделяются:

  1.  на пыль (размер твердых частиц более 1 мкм);
  2.  дым (меньше 1 мкм);
  3.  туман (смесь с воздухом мельчайших жидких частиц, меньше 10 мкм).

Действие пыли на организм человека

Действие пыли на организм человека может быть:

  1.  общетоксическим;
  2.  раздражающим;
  3.  фиброгенным – разрастание соединительной (фиброзной) ткани легкого.

Пыль, если она токсична, относится к классу химических опасных и вредных производственных факторов согласно ГОСТ 12.0.003- 74 ССБТ [1] .

Для нетоксичных пылей наиболее выраженным является фиброгенное действие, поэтому при гигиеническом нормировании их называют аэрозолями преимущественно фиброгенного действия (АПФД). В этом случае в соответствии с [1] пыль относят к классу физических опасных и вредных производственных факторов.

Вдыхаемый воздух через трахею и бронхи попадает в альвеолы легких, где происходит газообмен между кровью и лимфой. В зависимости от размеров и свойств загрязняющих веществ их поглощение происходит по-разному.

Грубые частицы задерживаются в верхних дыхательных путях и, если они не токсичны, могут вызывать заболевание, которое называется пылевой бронхит. Тонкие частицы пыли (0,5-5 мкм) достигают альвеол и могут привести к профессиональному заболеванию, которое носит общее название пневмокониоз. Его разновидности: силикоз (вдыхание пыли, содержащей SiO2), антракоз (вдыхание угольной пыли), асбестоз (вдыхание пыли асбеста) и др.

Нормирование пыли осуществляется по тому же принципу, что и норми-рование вредных веществ, т.е. по предельно допустимым концентрациям (ПДК).

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны ПДКр.зтакая концентрация вещества в воздухе рабочей зоны, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов  или другой продолжительности, но не более 40 часов в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызывать заболевания или изменения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования в процессе работы или в отдаленные сроки настоящего и последующих поколений [2]. Значения ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны приведены в нормативных документах [2-4].

Для предупреждения профессиональных заболеваний, связанных с повышенной запыленностью воздуха, на предприятиях проводятся мероприятия по борьбе с пылью:

  •  герметизация источников выделения пыли;
  •  пневматическая и мокрая уборка помещений;
  •  вентиляция помещений;
  •  применение средств индивидуальной защиты от пыли (рис. 1);
  •  периодический контроль запыленности воздуха на рабочих местах.

Защита органов дыхания


Респиратор РПГ-67 (в сборе)


Респиратор ФЕНИКС Ф-2/5 FFP1


Респиратор У-2К


Респиратор ФЕНИКС Ф-2/5 FFP2


Респиратор «ЛЕПЕСТОК-200», пр-во РФ


Полная маска 6000


Респиратор-полумаска 6000


Респиратор противоаэрозольный 9312

Защита глаз


Очки L-20 защитные


Очки L-20 защитные незапотевающие



Очки Ви-Макс



Очки Ви-Макс ацетат

Защита рук



Рукавицы х/б из двунитки ткань «Узбечка»


Перчатки EF-U-02



Перчатки трикотажные с латексом



Перчатки трикотажные с двойным латексным покрытием

Рис. 1. Средства индивидуальной защиты от пыли

Для определения запыленности воздуха возможно применение двух методов: весового и счетного.

При весовом методе запыленность характеризуется количеством пыли, содержащейся в 1 м3 воздуха, приведенного к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 20 ос и относительная влажность 50 %), выраженным в мг. Таким образом, размерность запыленности при весовом методе – мг/м3.

При счетном методе запыленность воздуха характеризуется количеством пылинок в 1 см3 воздуха, приведенного к нормальным условиям. При переводе весовых данных в счетные обычно считают, что 1 мг/м3 соответствует приблизительно 200 пылинок (0,4–2 мкм в поперечнике) на 1 см3 воздуха. Счетный метод позволяет определять фракционный (иногда используется термин «дисперсный») состав пыли, который, например, необходимо знать при выборе средств пылеочистки.

Фракционный состав пыли выражают в микрометрах и подразделяют на фракции размерами: 0-5, 5-10, 10-20, 20-40, 40-60 и более 60 мкм.

Важными преимуществами счетного метода являются более быстрое взятие проб и отсутствие необходимости иметь источник энергии (электрической или пневматической) в месте взятия пробы. Однако количество просасываемого воздуха при счетном методе очень мало (обычно несколько кубических сантиметров), поэтому представительность счетных проб мала (измеряется мгновенная концентрация пыли в одной точке), что является основным недостатком счетного метода.

Приборы для отбора счетных проб принято называть счетчиками пыли (кониметрами). Наибольшее распространение получили счетчики СН-2, ОУЭНС-1 и ТВК-3. В любом из этих приборов запыленный воздух засасывается в съемную камеру-кассету, одна из стенок которой смазана специальным бальзамом. В этой камере происходит процесс улавливания пыли под действием сил инерции. В результате на пластинке одной из стенок камеры-кассеты образуется пылевая дорожка, которая обрабатывается в лаборатории под микроскопом. На обработку счетных проб тратится относительно много времени, поэтому экономия времени, полученная в результате быстрого взятия проб, сводится на нет из-за длительности их обработки. С учетом изложенного в РФ в качестве основного (стандартного) принят весовой метод определения концентрации пыли в воздухе, а счетный метод применяется в качестве вспомогательного.

Определение концентрации пыли в воздухе весовым методом

Весовой метод основан на пропускании запыленного воздуха через пылезадерживающий фильтр и последующем определении массы уловленной пыли. Исследуемый воздух пропускают через специальный фильтр заводского изготовления (типа АФА), который взвешивают до и после отбора пробы. Весовую концентрацию пыли определяют по формуле

    ,      (1)

где Cф – весовая концентрация пыли, мг/ м3 ;

m 2 – то же после отбора пробы, мг;

m1  – масса фильтра до отбора пробы, мг;

V0  – объем воздуха, протянутого через фильтр, приведенный к нормальным условиям, м3, который определяется по формуле

.     (2)

Здесь Q – объем воздуха, прошедшего через фильтр, м3,

,       (3)

где   g – объемная скорость (расход воздуха) при отборе проб (л/мин);

 – время отбора пробы (мин);

Р – атмосферное давление в месте отбора пробы, мм рт. ст.;

Р0 – давление водяных паров при температуре 20 0С и влажности 50 % (величина постоянная и равная 8,7 мм рт. ст., или 1160 Па).

 – парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха в месте отбора пробы, мм рт. ст., принимается из табл.1.

t – температура воздуха в месте отбора пробы , 0 С;

Таблица 1

Парциальное давление насыщенного водяного пара в воздухе

t, 0 C

,

мм.рт.ст.

t, 0C

,

мм.рт.ст.

t, 0C

,

мм.рт.ст.

t, 0C

,

мм.рт.ст.

-20

0,927

+3

5,687

+14

11,908

+25

23,550

-15

1,400

+4

6,097

+15

12,699

+26

24,988

-10

2,093

+5

6,534

+16

13,836

+27

26,503

-5

3,113

+6

6,988

+17

14,421

+28

28,101

-4

3,368

+7

7,492

+18

15,397

+29

29,782

-3

3,644

+8

8,017

+19

16,346

+30

31,548

-2

3,941

+9

8,574

+20

17,391

+31

33,406

-1

4,263

+10

9,165

+21

18,495

+32

35,359

0

4,600

+11

9,762

+22

19,659

+33

37,411

+1

4,940

+12

10,457

+23

20,888

+34

39,565

+2

5,300

+13

11,162

+24

22,184

+35

41,827

Полученное значение фактической концентрации Сф пыли необходимо сравнить с ПДК для данного вида пыли и определить отношение Сф / ПДК.

По полученному отношению определяют класс условий труда по пылевому фактору (см. табл. П.1) и делают выводы.

Как видно из табл. П.2, в которой приводятся значения ПДК для некоторых видов пыли, степень вредности пыли определяется ее химическим составом.

В производственных условиях пыль обычно имеет сложный химический состав и ее вредность оценивается по одному ее компоненту, как правило, наиболее вредному. Тогда фактическая концентрация по данному компоненту определяется с учетом процентного содержания его в пыли по формуле

   ,         (4)

где к – процентное содержание данного компонента в пыли.

Например, исследуется пыль в помещении, где производится пайка с использованием припоя с содержанием свинца к = 40 %. Тогда вредность пыли будет оцениваться по свинцу с его концентрацией 0,4СФ .

При выполнении работы вид пыли указывается преподавателем (из перечня, приведенного в табл. П.1).

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для определения концентрации пыли (см. рис. 2) представляет собой пылевую камеру 1, имитирующую помещение, в котором определяется запыленность воздуха, и приборный блок 2. В пылевой камере находится вентилятор, с помощью которого имеющаяся в камере пыль образует аэрозоль, т.е. двухфазную среду: воздух + твердые частицы пыли. В камере вмонтирован осветительный фонарь, который ее освещает; благодаря фонарю через окно можно визуально наблюдать степень запыленности воздуха. Через отверстие в камере, которое в нерабочем состоянии закрывается крышкой – пробкой, с помощью специального патрона с фильтром производится отбор пробы воздуха.

В приборный отсек вмонтирована воздуходувка для протягивания запыленного воздуха через фильтр. Расход протягиваемого воздуха (g) определяется с помощью поплавкового расходомера 3 (ротаметра).

В блоке 2 установлено четыре ротаметра таким образом, что патрон с фильтром может с помощью резиновой трубки подключаться к любому из них. Регулирование расхода воздуха через фильтр перед отбором пробы осуществляется винтом 4 по нижней кромке поплавка, находящегося внутри трубки расходомера.

В лабораторной работе используются также аналитические весы для взвешивания фильтров, термометр для измерения температуры воздуха в помещении, барометр для измерения атмосферного давления, психрометр для измерения относительной влажности воздуха и часы (секундомер) для определения времени отбора пробы.

Рис. 2. Схема (а) и общий вид (б) лабораторной установки:

1 – пылевая камера; 2 – приборный блок; 3 – ротаметры; 4 – регулятор расхода воздуха; 5 – индикаторы; 6 – тумблер включения установки; 7 – тумблер включения воздуходувки; 8 – тумблер включения вентилятора; 9 – резиновый шланг; 10 – крышка


Порядок проведения работы

1. Взвесить чистый фильтр на аналитических весах, вставить его в патрон и закрепить фиксирующим кольцом.

  1.  Включить установку в сеть тумблером 6, затем тумблером 8 включить вентилятор в пылевой камере при закрытой крышке 10.
  2.  Установить заданный преподавателем расход воздуха через фильтр. Для этого средним тумблером 7 включить воздуходувку (аспиратор) и винтом 4 отрегулировать нужный расход.
  3.  Вставить патрон с фильтром в отверстие в пылевой камере, предварительно вынув из него крышку (заглушку).
  4.  Включить секундомер для контроля времени отбора пробы. Это время задается преподавателем.
  5.  После окончания отбора пробы выключить установку, вынуть патрон с фильтром из отверстия в пылевой камере, сразу же закрыв отверстие крышкой, осторожно извлечь фильтр из патрона и вновь взвесить его на весах.
  6.  Зафиксировать по приборам барометрическое давление и температуру воздуха в помещении.
  7.  По полученным результатам рассчитать концентрацию пыли в воздухе.
  8.  По ходу выполнения работы все результаты заносить в табл. 2.
  9.  сделать выводы по результатам работы:
  •  соответствует или не соответствует концентрация пыли в воздухе исследуемого помещения санитарно-гигиеническим нормативам;
  •  класс условий труда на рабочем месте по данному фактору в соответствии с Руководством по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса Р 2.2.2006-05 [11];
  •  рекомендуемые меры по оздоровлению воздушной среды (если требуется).


Таблица 2

Таблица результатов измерений содержания пыли в воздухе

Величина

обозна-

чение

размер-

ность

значение

1

Масса фильтра до отбора пробы

m1

мг

2

Масса фильтра после отбора пробы

m 2

мг

3

Масса пыли, осевшей на фильтре

m1 m 2

мг

4

Расход воздуха через фильтр

g

л/мин

5

Продолжительность отбора пробы

τ

мин

6

атмосферное давление в месте отбора пробы

P

мм рт. ст.

7

температура воздуха в месте отбора пробы

t

0С

8

парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t

мм рт. ст.

9

давление водяных паров при температуре 20 0С и влажности 50 %

Р0

мм рт. ст.

8,7

10

Объем воздуха, прошедшего через фильтр

Q

м3

11

То же, приведенный к нормальным условиям

V0

м3

12

Характеристика пыли (задается преподава-телем)

13

Фактическая концентрация пыли

Сф

мг/м3

14

Фактическая концентрация пыли по заданному компоненту

Сфк

мг/м3

15

Отношение фактической концентрации к предельно допустимой

Сф/ПДК фк/ПДК)

раз

16

Класс условий труда по пылевому фактору


Контрольные вопросы

  1.  Что такое пыль?
  2.  На какие виды подразделяются аэрозоли в зависимости от их происхождения, состава и размеров?
  3.  К какому классу опасных и вредных производственных факторов относится пыль?
  4.  Перечислите виды действия пыли на организм человека.
  5.  От каких факторов зависит вредное действие пыли на организм человека?
  6.  Какие виды заболеваний вызывает работа в среде с высокой запыленностью воздуха?
  7.  По какой характеристике осуществляется нормирование пыли в воздухе производственных помещений?
  8.  Сформулируйте понятие предельно допустимой концентрации.
  9.  Какие нормативные документы содержат значения ПДК пыли в воздухе производственных помещений?
  10.   Какие мероприятия по борьбе с пылью чаще всего используются на производстве?
  11.   Какие существуют методы для определения концентрации пыли в воздухе?
  12.   Дайте сравнительную оценку весового и счетного методов определения запыленности воздуха.
  13.   Что такое «нормальные условия»? Почему объем воздуха, полученный в эксперименте, необходимо привести к нормальным условиям, и как это осуществляется?
  14.   Как определить фактическую концентрацию заданного компонента по его процентному содержанию в пыли сложного состава?
  15.   Как определяется класс условий труда по пылевому фактору?


ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕСТЕСТВЕННОГО
И ИСКУССТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Цель работы – ознакомиться с нормированием освещения рабочих мест, методами и приборами для измерения освещенности, влиянием различных факторов на качество освещения рабочих мест, со стробоскопическим эффектом.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для освещения помещений используется естественное, совмещенное и искусственное освещение.

Естественное освещение создается природными источниками света: прямыми солнечными лучами и диффузным светом небосвода (от солнечных лучей, рассеянных атмосферой). Естественное освещение является биологически наиболее ценным видом освещения, к которому максимально приспособлен глаз человека. Особое значение имеет качество световой среды внутри помещения, где человеку должен быть обеспечен не только зрительный комфорт, но и необходимый биологический эффект от освещения.

 Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение.

В производственных помещениях используются следующие виды естественного освещения: боковое – через окна в наружных стенах; верхнее – через световые фонари в перекрытиях; комбинированное – через световые фонари и окна.

В зданиях с недостаточным естественным освещением применяют совмещенное освещение – сочетание естественного и искусственного света. Искусственное освещение в системе совмещенного освещения может функционировать постоянно (в зонах с недостаточным естественным освещением) или включаться с наступлением сумерек.

Искусственное освещение на промышленных предприятиях осуществляется лампами накаливания и газоразрядными лампами и предназначено для освещения рабочих поверхностей при недостаточности естественного освещения и в темное время суток.

Общее искусственное освещение предназначается для освещения всего помещения, местное (в системе комбинированного) – для увеличения освещения лишь рабочих поверхностей или отдельных частей оборудования. Общее освещение в системе комбинированного должно обеспечивать не менее 10 % требуемой по нормам освещенности. Его назначение в этом случае – выравнивание яркости и устранение резких теней. Применение только местного освещения не допускается.

Общее равномерное освещение предусматривает размещение светильников (в прямоугольном или шахматном порядке) для создания рациональной освещенности при выполнении однотипных работ по всему помещению, при большой плотности рабочих мест. Общее локализованное освещение применяется для обеспечения на ряде рабочих мест освещенности в заданной плоскости, когда около каждого из них устанавливается дополнительный светильник, а также при выполнении на участках цеха различных по характеру работ или при наличии затеняющего оборудования.

2. Нормирование освещенности

Необходимые уровни освещенности рабочего освещения нормируют в соответствии со СНиП 2.3.05-95 «Естественное и искусственное освещение», в зависимости от точности выполняемых производственных операций, световых свойств рабочей поверхности и рассматриваемой детали, системы освещения.

2.1. Основные светотехнические характеристики

Свет представляет собой видимые глазом электромагнитные волны оптического диапазона длиной 380–760 нм, воспринимаемые сетчатой оболочкой зрительного анализатора.

Для характеристики освещения рабочих мест внутри и вне помещений используется ряд светотехнических величин; в их числе сила света, световой поток, освещенность. Сила света I характеризует свечение источника видимого излучения в некотором направлении. Единица ее измерения в СИ – кандела (кд). Световой поток Ф – мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению. В системе СИ измеряется в люменах (лм). Полностью превращаясь в свет с длиной волны 555 нм, 1 Вт электрической мощности, дает световой поток в 683 лм. Таким образом, 1 лм соответствует 1/693 Вт. Световой поток является не только физической, но и физиологической характеристикой. Численно световой поток – это произведение силы света I (кд) на телесный угол ω (в стерадианах – ср), в котором распространяется поток:

Ф = I ω.      (1)

С точки зрения гигиены труда основной светотехнической характеристикой является освещенность Е, измеряемая в люксах (лк), которая представляет собой распределение светового потока Ф на поверхности площадью S, м2 и может быть выражена формулой

Е = Ф/S.      (2)

В физиологии зрительного восприятия важное значение придается не падающему потоку, а уровню яркости освещаемых производственных и других объектов, которая отражается от освещаемой поверхности в направлении глаза. Под яркостью понимают характеристику светящихся тел, равную отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению. Яркость измеряется в кд/м2. Яркость освещенных поверхностей зависит от их световых свойств, степени освещенности и угла, под которым поверхность рассматривается. Яркость излучающей поверхности большинства материалов в разных направлениях различна, однако существуют тела, обладающие одинаковой яркостью во всех направлениях (например матовые отражающие поверхности).

Схема определения яркости поверхности показана на рис. 1.

,

где Lαяркость поверхности в направлении α, кд/м2;

I – сила света, кд;

S – площадь освещенной поверхности, м2;

α – угол, образованный направлением света с нормалью к поверхности S.

Рис. 1. Схема определения яркости поверхности

обобщенный закон освещенности

Если освещаемая поверхность находится на расстоянии r, м от источника света силой I, кд и наклонена под углом падения лучей φ, то освещенность этой поверхности вычисляется по формуле

.       (3)

Угол падения – это угол между направлением светового потока и нормалью к освещаемой поверхности.

Световой поток, падающий на поверхность, частично отражается, поглощается или пропускается сквозь освещаемое тело, поэтому световые свойства освещаемой поверхности характеризуются также следующими коэффициентами:

• коэффициентом отражения ρ, который представляет собой отношение отраженного телом светового потока к падающему;

• пропускания то же светового потока, прошедшего через среду, к падающему;

• поглощения — то же поглощенного телом светового потока к падающему.

2.2. Естественное освещение

Естественное освещение изменяется в очень широких пределах и зависит от времени суток, времени года, облачности и т.п. Поэтому принято характеризовать его не абсолютным значением освещенности на рабочем месте, а относительным в виде коэффициента естественной освещенности (КЕО), показывающего, во сколько раз освещенность внутри помещения меньше освещенности снаружи; этот показатель выражают в процентах.

коэффициент естественной освещенности (КЕО) представляет собой отношение естественной освещенности внутри помещения в точках ее минимального значения на рабочей поверхности к одновременно замеренному значению освещенности наружной горизонтальной поверхности, освещенной диффузным светом полностью открытого небосвода (непрямым солнечным светом),

,       (4)

где Евн  - освещенность внутри помещения, лк;

   Енар - наружная освещенность, лк.

Для каждого производственного помещения строится кривая значения КЕО в характерном сечении (поперечный разрез посеpедине помещения перпендикулярно плоскости световых проемов)

а       б     в     г

Рис. 2. Схемы распределения КЕО по характерному разрезу помещения:

а – одностороннее боковое освещение; б – двустороннее боковое освещение;
в – верхнее освещение; г – комбинированное освещение; 1 – уровень рабочей поверхности

При боковом освещении нормируется минимальное значение еmin в плоскости характерного разреза на уровне рабочей поверхности на высоте 0,8 м от пола: при одностороннем – в точке, расположенной на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов (рис. 2, а), при двустороннем – в точке посередине помещения (рис. 2, б). При верхнем и комбинированном освещении нормируется среднее значение еср (рис. 2, в, г). В производственных помещениях с верхним и комбинированным освещением еср не должно быть меньше нормативного значения при боковом освещении для аналогичной зрительной работы.

Нормативное значение КЕО, еN, для зданий, располагаемых в различных районах, следует определять по формуле

еN = ен mn,         (5)

где N – номер группы обеспеченности естественным светом;

ен – нормативное значение КЕО, соответствующее разряду зрительной работы, %. Нормативные значения ен, или КЕО, для производственных помещений устанавливаются в зависимости от разряда зрительной работы, определяемого наименьшим размером объекта, который необходимо зрительно выделить (например толщина линии чертежа или шкалы прибора);

 mN – коэффициент светового климата.

При естественной освещенности нормируют также качественную характеристику неравномерность естественного освещения, которая определяется коэффициентом неравномерности отношением максимальной освещенности к минимальной. Чем выше точность работ, тем меньше должен быть коэффициент неравномерности: не более 2:1 для зрительных работ I и II разрядов и 3:1 для III и IV разрядов.

2.3. Искусственное освещение

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное.

Рабочее освещение служит для создания нормальной освещенности при выполнении конкретной работы.

При искусственном освещении нормируется минимальная освещенность на рабочих поверхностях (люкс), определяемая по СниП в зависимости от разряда зрительной работы.

При нормировании искусственного освещения учитываются также параметры:

1) характеристика фона. Фон – поверхность, прилегающая непосред-ственно к объекту различения, на которой он рассматривается.

Фон в зависимости от коэффициента отражения материала считается:

светлым - при коэффициенте отражения поверхности ρ более 0,4;

средним – то же, 0,2 - 0,4;

темным  - то же, менее 0,2;

2) контраст объекта различения с фоном, определяемый как отношение абсолютной величины разности между яркостью объекта (Lо) и фона (Lф) к яркости фона:

.      (6)

Контраст объекта различения с фоном считается:

  •  большим – при К более 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости);
  •  средним – при К от 0,2 - 0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости);
  •  малым – при К менее 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

Подразряды зрительной работы определяются по значениям яркостного контраста:

а) малый контраст на темном фоне;

б) малый контраст на среднем фоне или средний контраст на темном фоне;

в) малый контраст на светлом фоне или большой контраст на темном фоне;

г) средний контраст на светлом фоне, большой контраст на светлом фоне или большой контраст на среднем фоне.

Освещенность должна быть постоянной во времени. Для оценки условий работы глаза в мелькающем свете, который создают газоразрядные лампы, вводится коэффициент пульсации освещенности, %, характеризующий относительную глубину изменения освещенности от Emax до Еmin в течение одного периода ее колебания и определяющийся по формуле

,

где Еcp – среднее значение освещенности за один период ее колебания. Значения коэффициента пульсации нормируются (не более 12 - 25 % в зависимости от характера зрительной работы). Газоразрядные лампы имеют тот недостаток, что излучаемый ими световой поток пульсирует безынерционно, т.е. одинаково с колебаниями переменного тока. В мелькающем свете искажается восприятие вращающихся и движущихся предметов: возникает иллюзия их остановки или движения в обратную сторону, искажается скорость и направление движения. Это явление называют стробоскопическим эффектом. Для стабилизации светового потока лампы включают в сеть по определенным электрическим схемам таким образом, чтобы коэффициент пульсации не превышал установленной нормы.

Аварийное освещение следует предусматривать для всех помещений производственных, общественных, жилых, вспомогательных и складских зданий, для участков открытых пространств - площадок предприятий и мест производства работ вне зданий, прохода людей и движения транспорта.

3. ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ

Для измерения освещенности в данной работе применяются люксметры Ю 116 или Ю 117. Прибор состоит из гальванометра 1, фотоэлемента 2, светорассеивающей насадки 3 и набора светофильтров 4 (см. рис. 3).

Прибор имеет две шкалы, одна из которых отградуирована на 100 люкс, вторая – на 30 люкс. Отметки шкал «5» (0–30) и «20» (0–100) соответствуют начальным значениям диапазонов измерений (отмечены точкой). Прибор имеет корректор для установки стрелки в нулевое положение. Фотоэлемент люксметра закрыт полусферической насадкой, выполненной из белой светорассеивающей пластмассы.

Для расширения диапазонов измерения под рассеивающую насадку устанавливается один из трех светофильтров, имеющих маркировку «М», «Р», «Т». Каждый из них совместно с насадкой 3 ослабляет световой поток соответственно в 10, 100 и 1000 раз.

При использовании светофильтра показания люксметра умножаются на соответствующий коэффициент ослабления.

Рис. 3. Люксметр Ю 116:

А, В – общий вид; Б – принципиальная схема:

1 – гальванометр; 2 – селеновый фотоэлемент; 3 – светорассеивающая насадка;
4 – светофильтр;
I – кнопка включения нижней шкалы с диапазоном измерения 0–30 люкс;
II – кнопка включения верхней шкалы с диапазоном измерения
0–100 люкс

Люксметр без насадок имеет наименьшую допускаемую погрешность измерения +10 %, когда стрелка гальванометра находится в правой половине шкалы.

Светорассеивающая насадка 4 применяется только при использовании светофильтра.

Стробоскоп – полусферическая камера (рис. 3) служит для изучения влияния угла наклона светового потока на освещенность, а также демонстрации стробоскопического эффекта.

Рис. 4. Внешний вид и разрез стробоскопа:

1 – полусфера; 2 – люк для доступа внутрь полусферы; 3 – смотровой люк;
4 – светильники поперечного расположения; 5 – люминесцентная лампа;
6 – предметный столик; 7 – стробоскопический диск; 8 – переключатель угла наклона; 9 – тумблер включения ламп подсветки фона; 10 – регулятор интенсивности фона; 11 – светильники поперечного расположения; 12 – тумблер включения люминесцентной лампы; 13 – тумблер включения двигателя; 14 – маховичок для регулирования скорости вращения диска; 15 – тумблер включения установки;
– угол наклона светильника, определяющий направление светового потока

Осветительная стойка служит для изучения влияния колебаний напряжения в электрической сети и высоты подвеса светильников на освещенность, а также определения линий равной освещенности (изолюкс).

Рис. 5. Осветительная стойка:

1 – основание;

2 – стойки;

3 – передвижная рабочая поверхность;

4 – горизонтальная линейка;

5 – тормозная собачка;

6 – светильники;

7 – вертикальная линейка;

8 – тумблеры включения светильников;

9 – тумблер включения установки;

10 – маховик регулировки напряжения;

11 – вольтметр

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1

Исследование параметров естественного освещения в помещении

1. Ознакомиться с устройством люксметра Ю 116 или Ю 117.

2. Замерить освещенность на расстоянии 1 м от стен, противоположной оконным проемам, на уровне высоты стола (0,8 м от пола). Пластину фотоэлемента следует держать параллельно полу, обращенной верх. Значение наружной освещенности принять по указанию преподавателя.

3. По формуле (3) подсчитать значение КЕО.

4. По СНиП 23-05-95 и формуле (5) определить нормативное значение КЕО (еN) (см. табл. П.3, П.4, и П.5), а также класс условий труда (табл. П.6).

Полученные данные и выводы занести в отчет по лабораторной работе в виде таблицы результатов определения коэффициента естественной освещенности.

Внутренняя освещенность

Евн, лк

Наружная освещенность

Ен, лк

Фактический КЕО

еф, %

Нормируемый КЕО

ен, %

mn

еN, %

Класс условий труда согласно Р 2.2.2006-05

Вывод:

Задание 2

Исследование параметров искусственного освещения

Работа выполняется на осветительной стойке.

  1.  Установить передвижной предметный столик осветительной стойки на уровне рабочей поверхности (стол для выполнения лабораторных работ), поместить на него фотоэлемент люксметра.
  2.  Закрыть окна шторами (при проведении работы в светлое время суток), включить общее электрическое освещение.
  3.  Определить люксметром освещенность за счет общего освещения.
  4.  По СниП 23-05-95 (табл. П.3) определить нормативное значение освещенности для выполняемого рода работ.
  5.  Сделать вывод о соответствии искусственного освещения нормативным требованиям.
  6.  Полученные данные занести в отчет о лабораторной работе.
  7.  Последовательно включить 1, 2, 3 светильника местного освещения, измерить освещенность на рабочем месте (при этом напряжение в сети должно быть 200 вольт) и определить долю общего освещения. Определить количество светильников, необходимое для обеспечения требуемого нормами соотношения общего и местного освещения. Оформить таблицу.

Количество светильников

1

2

3

Освещенность Е, лк

Доля общего освещения, %

Вывод:

  1.  Исследовать влияние высоты подвеса светильника на освещенность при включенных 1, 2, 3 светильниках (напряжение в сети 220 вольт). Построить графики изменения освещенности в зависимости от высоты подвеса. Заполнить таблицу.

1 светильник

2 светильника

3 светильника

Высота подвеса, м

Освещенность

Е, лк

Высота подвеса, м

Освещенность

Е, лк

Высота подвеса, м

Освещенность

Е, лк

Вывод:

  1.  Исследовать влияние напряжения в сети на освещенность рабочей поверхности при отклонении напряжения от номинального на 2 %, 4, 6, 10, 40 % (номинальное напряжение в сети 220 В). Результаты занести в таблицу. Построить график изменения освещенности от напряжения в сети. В опыте используется три светильника. Оформить таблицу.


Напряжение

U,В

Доля от номи-нального напря-жения в процентах

2

4

6

10

40

Освещенность

Е, лк

Вывод:

Задание 3

Изучение влияния направления света на освещенность

Исследование зависимости освещенности от направления светового потока проводится на стробоскопе и предусматривает изучение освещенности предметного столика 6 в зависимости от направления светового потока, задаваемого углом наклона ламп 4–11, имитирующих светильники местного освещения (см. рис. 4).

1. Через окно 2 на предметный столик установить фотоэлемент люксметра.

2. Тумблером 9 включить питание лампы подсветки фона. Определить величину фона.

3. Переключателем 8 последовательно включать одну за другой лампы 4–11, расположенные под разными углами наклона в продольной и поперечной плоскостях стробоскопа. Занести результаты в таблицу.

Расположение ламп

Угол наклона светильника , град

15

30

45

60

75

105

135

165

Продольное:

  •  с фоном
  •  без фона

Поперечное:

  •  с фоном
  •  без фона

4. Построить графики изменения освещенности в зависимости от угла наклона при продольном и поперечном расположении ламп.

5. Построить на том же графике теоретическую зависимость, рассчитанную по формуле , где ;  – измеренное значение освещенности при = 105 0.

6. Сделать выводы о влиянии на освещенность угла наклона и фона и степени соответствия экспериментальных и расчетных результатов.

Задание 4

Наблюдение стробоскопического эффекта

При использовании в качестве источника освещения люминесцентных ламп, дающих пульсирующий световой поток, может наблюдаться так называемый стробоскопический эффект, обусловленный инерцией зрения. Если время, разделяющее дискретные акты наблюдения, меньше времени гашения зрительного образа, то наблюдение субъективно ощущается как непрерывное. При эффекте возможна иллюзия движения при прерывистом наблюдении отдельных объектов, иллюзия неподвижности (замедления движения), когда движущийся предмет периодически занимает прежнее положение, иллюзия вращения в противоположную от реального направления сторону, когда частота вспышек света больше числа оборотов вращающегося предмета. При этом, например, вращающиеся предметы могут восприниматься как неподвижные или движущиеся в обратном направлении и т. п. Такое искажение может вводить в заблуждение работающего, создавать аварийную ситуацию и опасность травмирования.

Работа выполняется на стробоскопе и предполагает наблюдение стробоскопического эффекта при вращении диска с нанесенными на него черными полосами (для выполнения работы люксметр не требуется).

Тумблером 13 включить двигатель, вращающий диск, а тумблером 12 – люминесцентную лампу. С помощью маховика 14 постепенно увеличивать скорость вращения диска. Наблюдения вести через смотровые люки 3. Результаты наблюдения занести в таблицу. Сделать выводы о скоростях, при которых наблюдается стробоскопический эффект.

Скорость вращения диска, об/мин

Описание эффекта

При вращении диска кажется, что он стоит на месте

При вращение диска по часовой стрелке кажется, что он вращается в обратную сторону

При быстром вращении диска кажется, что он вращается медленно

Контрольные вопросы

  1.  Назовите виды естественного освещения и системы искусственного освещения.
  2.  Что такое комбинированное освещение применительно к естественному и искусственному освещению?
  3.  Что такое совмещенное освещение? Когда оно применяется?
  4.  Назовите и дайте определение основных светотехнических характеристик: световой поток, сила света, освещенность.
  5.  Что такое яркость освещенной поверхности? От чего она зависит?
  6.  Сформулируйте обобщенный закон освещенности.
  7.  Какими показателями характеризуются световые свойства освещаемой поверхности?
  8.  Какой угол называется углом падения?
  9.  Как зависит освещенность поверхности от расстояния до нее; от угла падения?
  10.  Укажите нормативный документ, нормирующий освещенность.
  11.  Укажите нормируемую величину при искусственном освещении, при естественном освещении.
  12.  Для каких точек помещения устанавливаются нормируемые величины при естественном освещении? Что такое «характерный разрез помещения?
  13.  От чего зависит конкретное значение нормируемой величины при естественном освещении?
  14.  Как определить разряд и подразряд зрительной работы?
  15.  От чего зависит коэффициент светового климата.
  16.  Как определить значение нормируемой величины при искусственном освещении?
  17.  Что такое коэффициент пульсации освещенности? Как уменьшить величину пульсации?
  18.  Что такое стробоскопический эффект? Его причины?
  19.  Назначение и устройство люксметра.
  20.  Порядок измерения с помощью люксметра; назначение светофильтров. Для чего нужна светорассеивающая насадка?
  21.  Как определить класс условий труда по показателям световой среды?


ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ШУМА

И ЭФФЕКТИВНОСТИ БОРЬБЫ С НИМ

Цель работы: ознакомиться с методами измерения параметров шума, его нормированием, оценкой эффективности звукоизолирующей способности кожухов, плоских ограждений и звукопоглощения ограждающих конструкций помещений (стен, пола, потолка).

  1.  Сведения о шуме

В гигиенической практике шумом принято называть всякий нежелательный для человека звук. Шум является одним из основных вредных производственных факторов. Под его действием, как правило, повышается утомляемость, ухудшается восприятие звуковых сигналов и разборчивость речи, нарушаются процессы пищеварения и кровообращения, возрастают энергозатраты организма при выполнении всех видов работ, ослабляется световосприятие и т.д. При длительном воздействии шума у человека могут возникать различные профессиональные заболевания – глухота, гипертония и др.

Любой звук как физическое явление представляет собой распространяющееся механическое колебательное движение части упругой среды (газа, жидкости, твердого тела) с малыми амплитудами. Источником его является любое колеблющееся тело, выведенное из устойчивого состояния какой-либо внешней силой. Непосредственно примыкающие к источнику колебания частицы среды вовлекаются в колебательный процесс и смещаются около своего положения равновесия, приходя в состояние периодического сгущения и разряжения. Этот процесс в силу упругости среды распространяется последовательно на смежные частицы в виде волны с длиной λ

,

где с – скорость звука в среде; f – частота колебаний; Т – период колебаний.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии в пространстве, называемом звуковым полем. Общее количество энергии, которое источник звука излучает в окружающее пространство, называется звуковой мощностью источника (W). Реальные звуковые мощности некоторых источников звука характеризуют следующие приблизительные цифры (речь идет о порядке величин): шепот – 10-9 Вт; обычный разговор – 10-5 Вт; крик – 10-3 Вт; цепная пила по дереву – 1 Вт; большой оркестр – 10 Вт; турбореактивный самолетный двигатель – 104 Вт; стартовый двигатель мощной космической ракеты – 108 Вт. Применительно к оценке шума в какой-либо точке звукового поля (например на рабочем месте в цехе) интерес представляет не общая акустическая мощность источника шума, а лишь та его часть, которая достигает этой точки (рабочего места). Часть общей мощности источника шума, приходящаяся на единицу площади, проходящей через заданную точку звукового поля и расположенной перпендикулярно распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука (J).

Непосредственное измерение интенсивности звука связано с большими техническими трудностями, и в настоящее время нет приборов, позволяющих непосредственно измерять этот параметр. С помощью акустических приборов (в частности, шумомеров) сравнительно просто измеряется так называемое звуковое давление (Р), связанное с интенсивностью звука (J) следующей зависимостью

,

где ρ – плотность среды; с – скорость звука в среде.

Звуковым давлением называется разница между мгновенным значением полного давления в какой-либо точке звукового поля и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде («атмосферное давление»). Поскольку в пределах полного колебательного цикла звуковое давление в фиксированной точке звукового поля изменяется от нуля до положительного максимума, а затем вновь до нуля и далее до отрицательного максимума и т.д., то под этим термином (звуковое давление) обычно принято понимать среднеквадратичное давление в течение полного цикла

,

где тильда означает осреднение во времени, а Т – продолжительность цикла.

В органе слуха человека такое осреднение происходит примерно за 30-100 мс и воспринимается человеком как специфический звуковой сигнал, если частота колебаний находится в диапазоне 16-20 000 Гц. Колебания с частотой менее

16 Гц называются инфразвуком, а свыше 20 кГц – ультразвуком.

Интенсивность звуков и звуковые давления, с которыми приходится иметь дело на практике, могут изменяться (различаться) в десятки и сотни миллионов раз. Такой огромный диапазон изменения этих величин создает большие неудобства при сопоставлении их абсолютных значений. В этих условиях очень удобным оказалось использование логарифмической шкалы, позволяющей существенно уменьшить диапазон численных значений измеряемых величин. Применению логарифмической шкалы в акустике способствовало обстоятельство, что громкость звуков при оценке их на слух, как было установлено физиологами, возрастает примерно пропорционально логарифму интенсивности или звукового давления.

Основными характеристиками шума являются уровни звукового давления и уровни интенсивности звука, определяемые по формулам, дБ,

и

,

где Ро и Jo – пороговые (опорные) значения звукового давления и интенсивности шума на частоте 1000 Гц; они стандартизованы и равны соответственно 2·10-5 Па и 10-12 Вт/м2. При нормальных атмосферных условиях LР = LJ, что очень удобно при расчетах и акустических измерениях. При условиях, отличных от нормальных, связь между LP и LJ определяется выражением

,

где ρо и со – плотность воздуха и скорость звука при нормальных атмосферных условиях; ρ и с – то же при условиях, отличных от нормальных.

В производственном помещении обычно бывает несколько источников шума. Суммарный уровень звукового давления нескольких различных источников звука определяется по формуле, дБ,

L=10 lg [10(L1/10) + 10(L2/10) +...+10(Ln/10)],

где L1, L2... Lnуровни звукового давления, создаваемые каждым из источников звука в исследуемой точке пространства.

Суммарный уровень шума от одинаковых по своему уровню источников определяется по формуле

L = Li + 10 lgn,             

где Li –  уровень звукового давления одного источника, дБ;

n  – количество источников шума.

Например, два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больше, чем каждый источник.

Суммарный уровень шума от двух различных по своему уровню источников можно определить по формуле

L = Lmax + L,             

где Lmax – максимальный уровень звукового давления одного из двух источников;

L – поправка, зависящая от разности между максимальным и минимальным уровнем звукового давления в соответствии с приведенными ниже данными.


Значение поправки
L при сложении уровней шума

Разность слагаемых уровней

L1L2, дБ

Добавка L, прибавляемая к большему из уровней L1, дБ

0

3,0

1

2,5

2

2,2

3

1,8

4

1,5

5

1,2

6

1,0

7

0,8

8

0,6

10

0,4

Пользуясь этими данными, можно определить суммарный уровень звукового давления нескольких различных источников звука, складывая их попарно следующим образом. По разности двух уровней l1 и L2 по табл. 9 определяют добавку ΔL, которую прибавляют к большему уровню l1, в результате чего получают уровень l1,2= L1 + ΔL. Уровень L1,2 суммируется таким же образом с уровнем L3, и получают уровень L1,2,3 и т.д. Окончательный результат Lсум округляют до целого числа децибел.

Метод расчета применим в тех случаях, когда имеются данные об уровнях и продолжительности воздействия шума на рабочем месте, в рабочей зоне или различных помещениях, рассчитывается эквивалентный уровень звука с использованием поправок на время действия каждого уровня звука, определяемых по приведенной ниже таблице.

Расчет производится следующим образом. К каждому измеренному уровню звука добавляется (с учетом знака) поправка по таблице, соответствующая его времени действия (в часах или проыентах от общего времени действия). Затем полученные уровни звука складываются, как описано выше.


Значение поправок на время действия шума

Поправка в дБ

Время

в часах

в %

0

8

100

-0,6

7

88

-1,2

6

75

-2

5

62

-3

4

50

-4,2

3

38

-6

2

25

-9

1

12

-12

0,5

6

-15

15

3

-20

5

1

Пример расчета

Уровни шума за 8-часовую рабочую смену составляли 80, 86 и 94 дБА в течение 5, 2 и 1 ч соответственно. Этим значениям времени соответствуют поправки из предыдущей таблицы, равные -2, -6, -9 дБ. Складывая их с уровнями шума, получаем 78, 80, 85 дБА. Теперь, используя таблицу значений поправок L, складываем эти уровни попарно: l1,2= L2 + ΔL = 80 + 2,2 = 82 дБА; L1,2,3 = l3 + ΔL = 85 + 1,8 = 86,8 дБА. Округляя, получаем окончательное значение эквивалентного уровня шума 87 дБА. Таким образом, воздействие этих шумов равносильно действию шума с постоянным уровнем 87 дБА в течение 8 ч.

При исследовании шумов обычно весь слышимый диапазон звуковых колебаний по частоте разбивается на отдельные полосы, каждая из которых характеризуется граничными частотами:  нижней (fн), верхней (fв) и средней (fср). За среднюю частоту полосы принято принимать среднегеометрическую частоту, определяемую по формуле, Гц:

.

Чаще всего применяются октавные и третьоктавные полосы. Октавная полоса (октава) – это такая частотная полоса, в которой верхняя граничная частота (fв) в два раза больше нижней частоты (fн). В третьоктавной полосе это соотношение равно 1,26.

При гигиенической оценке шума и его нормировании акустический диапазон частот разделяют на девять октавных полос со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц. Граничные частоты для этих полос соответственно равны 22–44; 44–88; 88–177; 177–355; 355–710; 710–1420; 1420–2840; 2840–5680; 5680–11360 Гц.

В качестве одночисловой характеристики шума применяется оценка уровня звука в децибелах (А), получаемая посредством измерения шума на характеристике «А» чувствительности шумомера. С помощью специальных фильтров характеристика «А» чувствительности шумомеров подобрана таким образом, чтобы между субъективной реакцией человека и уровнем звукового давления по этой характеристике существовало соответствие. Иными словами, характеристика «А» шумомеров хорошо имитирует чувствительность человеческого уха во всем акустическом диапазоне частот.

  1.  Гигиеническое нормирование шума

Основой всех правовых, организационных и технических мер по снижению производственного шума является гигиеническое нормирование его параметров с учетом их влияния на человеческий организм.

В России основным документом по нормированию шума на производстве являются санитарные нормы СН 2.2.3/2.1.8.562-96. «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки». Эти нормы устанавливают классификацию шумов, характеристики и допустимые уровни шума на рабочих местах, общие требования к измерению нормируемых величин и основные мероприятия по профилактике неблагоприятного влияния на работающих.

Предельно допустимый уровень шума – это уровень шума, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

По характеру спектра шумы подразделяют:

  •  на широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;
  •  тональные, в спектре которых имеются выраженные дискретные тона.

Тональный характер шума при контроле его параметров на рабочих местах устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот по повышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы подразделяют:

  •  на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день (рабочую смену) изменяется во времени не более чем на 5 дБ (А) при измерениях на временной характеристике «медленно» шумомера;
  •  непостоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день (рабочую смену) изменяется более чем на 5 дБ (А) при измерениях на временной характеристике «медленно» шумомера.

Непостоянные шумы, в свою очередь, подразделяются:

  •  на колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;
  •  прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется на 5 дБ (А) и более, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;
  •  импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в децибелах (А1) и децибелах (А), измеренные соответственно по временным характеристикам «импульс» и «медленно» шумомера, отличаются не менее чем на 7 дБ (шумомеры должны отвечать ГОСТ 17.187-81).

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, которые определяются по формуле

,

где Р – среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Ро – исходное значение звукового давления в воздухе, равное 2·10-5 Па.

Согласно нормативным документам существует два способа нормирования шума:

основной – по предельному спектру, т.е. совокупности 9 значений уровня звукового давления в каждой из девяти октавных полос для данных условий работы;

вспомогательный – по уровню звука.

Предельно допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука для рабочих мест в производственных помещениях и на территориях предприятий для широкополостного постоянного и непостоянного (кроме импульсного) шума представлены в таблице приложения П7 .

Эквивалентный уровень звука в период времени τ1 - τ2 определяется по формуле

,

где LA(τ) – мгновенные значения уровня звука; значение в скобках в этом выражении дает среднее значение отношения за время измерения. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, эквивалентный уровень звука представляет собой постоянный уровень звука, который воздействует на ухо такой же корректированной по А звуковой энергией, как и реальный меняющийся во времени звук за тот же период. Поэтому LA.ЭК называют также энергетически эквивалентным уровнем звука.

Для тонального и импульсного шума допустимые уровни нормируемых значений должны быть на 5 дБ меньше указанных в приведенных выше данных.

Максимальный уровень звука для наблюдений во времени прерывистого шума не должен превышать 110 дБ (А).

Для импульсного шума максимальный уровень звука не должен превышать 125 дБ (А1).

Санитарными нормами запрещено пребывание работающих в зонах с уровнем звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.

  1.  СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ШУМА

Согласно ГОСТ 12.1.029-80 средства и методы защиты от шума.
подразделяются:

1. Средства и методы защиты от шума по отношению к защищаемому объекту:

  •  средства и методы коллективной защиты;
  •  средства индивидуальной защиты;

2. Средства коллективной защиты по отношению к источнику возбуждения шума подразделяются на:

  •  средства, снижающие шум в источнике его возникновения;
  •  снижающие шум на пути его распространения от источника до защищаемого объекта.

Средства, снижающие шум в источнике его возникновения, в зависимости от характера воздействия подразделяются:

  •  на средства, снижающие возбуждение шума;
  •  снижающие звукоизлучающую способность источника шума.

Средства, снижающие шум в источнике его возникновения, в зависимости от характера шумообразования подразделяются:

  •  на средства, снижающие шум вибрационного (механического) происхождения;
  •  аэродинамического происхождения;
  •  электромагнитного происхождения;
  •  гидродинамического происхождения.

Средства, снижающие шум на пути его распространения, в зависимости от среды подразделяются:

  •  на средства, снижающие передачу воздушного шума;
  •  снижающие передачу структурного шума.

3. Средства защиты от шума в зависимости от использования дополнительного источника энергии:

  •  пассивные, в которых не используется дополнительный источник энергии;
  •  активные, в которых используется дополнительный источник энергии.

4. Средства и методы коллективной защиты от шума в зависимости от способа реализации:

  •  акустические;
  •  архитектурно-планировочные;
  •  организационно-технические.

Акустические средства защиты от шума в зависимости от принципа действия подразделяются:

  •  на средства звукоизоляции;
  •  звукопоглощения;
  •  виброизоляции;
  •  демпфирования;
  •  глушители шума.

Средства звукоизоляции в зависимости от конструкции подразделяются:

  •  на звукоизолирующие ограждения зданий и помещений;
  •  звукоизолирующие кожухи;
  •  звукоизолирующие кабины;
  •  акустические экраны, выгородки.

Средства звукопоглощения в зависимости от конструкции подразделяются:

  •  на звукопоглощающие облицовки;
  •  объемные (штучные) поглотители звука.

Средства виброизоляции в зависимости от конструкции подразделяются:

  •  на виброизолирующие опоры;
  •  упругие прокладки;
  •  конструкционные разрывы.

Средства демпфирования в зависимости от характеристики демпфирования подразделяются:

  •  на линейные;
  •  нелинейные.

Средства демпфирования в зависимости от вида демпфирования подразделяются:

  •  на элементы с сухим трением;
  •  элементы с вязким трением;
  •  элементы с внутренним трением.

Глушители шума в зависимости от принципа действия подразделяются:

  •  на абсорбционные;
  •  реактивные (рефлексные);
  •  комбинированные.

Архитектурно-планировочные методы защиты от шума включают в себя:

  •  рациональные акустические решения планировок зданий и генеральных планов объектов;
  •  рациональное размещение технологического оборудования, машин и механизмов;
  •  рациональное размещение рабочих мест;
  •  рациональное акустическое планирование зон и режима движения транспортных средств и транспортных потоков;
  •  создание шумозащищенных зон в различных местах нахождения человека.

Организационно-технические методы защиты от шума включают в себя:

  •  применение малошумных технологических процессов (изменение технологии производства, способа обработки и транспортирования материала и др.);
  •  оснащение шумных машин средствами дистанционного управления и автоматического контроля;
  •  применение малошумных машин, изменение конструктивных элементов машин, их сборочных единиц;
  •  совершенствование технологии ремонта и обслуживания машин;
  •  использование рациональных режимов труда и отдыха работников на шумных предприятиях.

5. При работе в помещениях с повышенным звуковым давлением работодатель обязан снабжать работников средствами индивидуальной защиты (рис. 1).

Средства индивидуальной защиты от шума в зависимости от конструктивного исполнения подразделяются:

  •  на противошумные наушники, закрывающие ушную раковину снаружи (см. рис. 1);
  •  противошумные вкладыши, перекрывающие наружный слуховой проход или прилегающие к нему (см. рис. 1);
  •  противошумные шлемы и каски;
  •  противошумные костюмы.

Наушники
Наушники предназначены для защиты органов слуха от производственных шумов (коэффициент ослабления шума 23 дБ).
ГОСТ Р12.4.208-97

Беруши Матрикс МТХ-1
Служат для поглощения шума в 23 дБ. Изготовлены из термопластиковой резины. Не требуют скручивания при использовании.
ГОСТ Р12.4.208-99

Беруши Матрикс МТХ-30
Служат для поглощения шума в 23 дБ. Со шнурком. Изготовлены из термопластиковой резины. Не требуют скручивания при использовании.
ГОСТ Р12.4.208-99

Беруши Лазер Лайт-1
Служат для поглощения шума в 35 дБ. Изготовлены из вспененного полиуретана.
ГОСТ Р12.4.208-99

Беруши Лазер Лайт-30
Служат для поглощения шума в 35 дБ. Со шнурком. Изготовлены из вспененного полиуретана.
ГОСТ Р12.4.208-99

Беруши Макс-1
Служат для поглощения шума в 37 дБ. Изготовлены из вспененного полиуретана.
ГОСТ Р12.4.208-99

Рис 1. Средства индивидуальной защиты органов слуха

Противошумные наушники по способу крепления на голове подразделяются:

  •  на независимые, имеющие жесткое и мягкое оголовье;
  •  встроенные в головной убор или в другое защитное устройство.

Противошумные вкладыши в зависимости от характера использования подразделяются:

  •  на многократного пользования;
  •  однократного пользования.

Противошумные вкладыши в зависимости от применяемого материала подразделяются:

  •  на твердые;
  •  эластичные;
  •  волокнистые

Классы условий труда в зависимости от уровней шума на рабочем месте, установленные в соответствии с Руководством по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса Р 2.2.2006-05 [11], приведены в табл. П.8.

4. Методы борьбы с шумом, подлежащие экспериментальной проверке в данной работе

В данной лабораторной работе представляется возможным экспериментально оценить эффективность использования для борьбы с шумом звукоизолирующего кожуха, звукоизолирующей перегородки и акустической обработки шумного помещения.

Укрытие источника шума звукоизолирующим кожухом является весьма эффективным способом снижения его звуковой мощности.

Звукоизолирующая способность кожуха , дБ, может быть оценена по формуле

,    (1)

где G – масса 1 м2 стенок кожуха, кг; f – частота звука, Гц; α – коэффициент звукопоглощения материала, нанесенного на внутреннюю поверхность кожуха.

Звукоизолирующая способность перегородки , дБ, разделяющей два смежных помещения (шумное и тихое), может быть определена по формуле

,    (2)

где G – масса 1м2 перегородки, кг; f  – частота звука, Гц.

Эффективность акустической обработки помещения , дБ, посредством покрытия окружающих его поверхностей (стены, потолок) звукопоглощающими конструкциями, может быть определена из выражения

,     (3)

где α1 и α2 – коэффициенты звукопоглощения ограждающих конструкций до и после отделки соответственно; S1 и S2 – площади ограждающих конструкций до и после отделки соответственно.

5. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой модель помещения (камеру), выполненную из древесно-стружечных плит (ДСП), в которой с одной стороны установлен динамик 9 (источник шума), а с другой – микрофон 3 измерителя шума 2 (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема и общий вид лабораторной установки:

а) схема; б) внешний вид установки;

1 – генератор «белого шума» или магнитофон; 2 – измеритель шума (ВШВ-003-М2);

3 – микрофон; 4 – съемные щиты со звукопоглощающей облицовкой; 5 – съемная
перегородка; 6 – крепежные винты; 7 – кожух; 8 – экран; 9 – динамик

Внутренняя поверхность камеры выложена съемными щитами 4 со звукопоглощающей облицовкой, закрепляемыми специальными винтами 6. Посредине камеры может герметично вставляться изолирующая перегородка 5 из фанеры толщиной 10 мм, разделяющая камеру на две части (два «помещения»). Это позволяет оценить экспериментально звукоизолирующую способность перегородки. Передняя часть камеры состоит из двух дверок, плотное прилегание которых к камере обеспечивается прокладками и замками. Источник шума (динамик 9) может быть закрыт частично экраном 8 или кожухом 7. Звуковые сигналы («шум») подаются на динамик либо звуковым генератором 1, либо магнитофоном с записью реального шума в каком-либо цехе предприятия, соответствующего профилю специальности студента.

6. Измерение параметров шума

Для измерения параметров шума в работе используются измерители шума и вибраций ВШВ-003- М2. Лицевая панель прибора приведена на рис. 3.

Измерение уровней звука. При измерении уровней звука (дБА) переключатели прибора установите в положения:

Делитель dB1 – 80

Делитель dB2 – 50

Фильтры – А

Род работы – F

Кнопки «V», «1кHz» и «Фильтры октавные» должны быть отключены (т.е. в отжатом положении). После 1 минуты самопрогрева прибора можно приступать к измерениям. Для этого сначала делителем dB1, а затем – dB2 стрелка показывающего прибора выводится в сектор 0 - 10 шкалы децибел. Если периодически загорается индикатор «Перегр», то переключите делитель dB1 на более высокий уровень. Для определения результата измерения сложите показания светодиода по шкале                      на передней панели прибора и показания стрелочного прибора по шкале децибел.

Измерение уровней звукового давления в октавных полосах частот. Установите переключатель «Фильтры» в положение «ЛИН», а остальные – как при измерении уровня звука. Потом сначала делителем dB1, а затем dB2 выведите стрелку показывающего прибора в сектор 0–10 шкалы децибел. После этого переключатель «Фильтры» установите в положение «Фильтры октавные» и, устанавливая переключатель частот поочередно на соответствующие октавы (31,5–63–125 и т.д.) делителем  dB2, всякий раз стрелку показывающего прибора выводите в сектор 0–10 шкалы децибел.

 При этом переключатель «Делитель dB1» должен оставаться в том положении, которое он занимал при измерении уровня звука на характеристике «ЛИН»! 

Результат измерения, получаемый путем суммирования показания светодиода по шкале на передней панели прибора и показывающего прибора по шкале децибел, записывается в таблицу приведенную ниже в столбец для соответствующей октавной полосы.


Рис. 3. Лицевая панель прибора ВШВ-003-М2:

1 – делитель dБ1; 2 – делитель dБ2; 3 – шкала                             ; 4 – светодиод; 5 – переключатель рода работы;

6 – стрелочный прибор; 7 – сектор 0 - 10 шкалы децибел; 8 – кнопка «V»; 9 – кнопка «1KHz»; 10 – переключатель частот; 11 – переключатель «Фильтры октавные»


Результаты экспериментальных измерений

Показатели

Уровни звука, дБА

Уровни звукового давления (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

31,5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

I

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

А. Гигиеническая оценка уровня шума

1

Измеренные характеристи-ки шума в камере

2

Допустимые параметры шума

3

Требуемое снижение параметров шума

Б. Оценка звукоизолирующей способности кожуха

1

Измеренные характеристи-ки шума в камере

2

То же с кожухом

3

4

В. Оценка звукоизолирующей способности перегородки

1

Измеренные характеристи-ки шума в камере без перегородки

2

То же с перегородкой

3

4

Г. Оценка эффективности акустической обработки помещения

1

Измеренные характеристи-ки шума в ка-мере без зву-копоглоща-ющих щитов


Окончание табл.3

I

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2

То же после установки звукопогло-щающих щитов

3

4

α1

-

-

-

0,12

0,11

0,10

0,03

0,08

0,11

0,12

α2

-

-

0,1

0,15

0,20

0,45

0,70

0,60

0,70

0,80

При измерении низкочастотных составляющих звука (первые две – три октавы) могут возникнуть флуктуации (колебания) стрелки прибора. В этом случае переведите переключатель «Род работы» из положения F в положение S.

7. Порядок выполнения работы

Внимательно ознакомившись с данной методикой и удовлетворительно ответив на контрольные вопросы преподавателя, студент получает одно из перечисленных ниже заданий и приступает его выполнению.

А. Гигиеническая оценка уровня шума

  1.  По заданию преподавателя создать в звуковой камере соответствующий акустический режим (источник шума с кожухом или без него; с перегородкой, разделяющей камеру на два помещения, или без нее; с акустической облицовкой камеры или без таковой); закрыть дверки камеры ключом.
  2.  Включить шумомер и прогреть его 1–2 мин.
  3.  Включить генератор шума или магнитофон с записью (выполняется преподавателем).
  4.  Произвести измерение уровня звука (дБА) и записать результат в приведенную выше таблицу (раздел А).
  5.  Произвести измерение уровней звукового давления во всех девяти октавных полосах и результаты записать в таблицу (А).
  6.  Записать в таблицу (раздел А) допустимые значения уровней звука (дБА) и уровней звукового давления из приведенных выше данных на стр. 45 (по заданию преподавателя).
  7.  Вычислить значения требуемого снижения уровня звука и уровней звукового давления и записать результаты в таблицу (раздел А).
  8.  По данным измерений построить график спектра шума в контрольной точке и предельно допустимого спектра шума (из таблицы).
  9.  Сделать выводы о возможности работы при измеренном уровне шума и необходимости противошумных мероприятий.
  10.   Определить класс условий труда по шумовому фактору (см. П.8).

Б. Оценка звукоизолирующей способности кожуха

  1.  Перегородку, разделяющую камеру на две части, необходимого убирать.
  2.  Съемные звукопоглощающие щиты с «пола» и «потолка» камеры снять.
  3.  Кожух с динамика («источника шума») (если он был ранее установлен) сниять, а оставить только экран; дверки камер закрыть плотно на ключ.
  4.  Далее выполнить действия и измерения, перечисленные в п. 2–5 раздела А, и записать результаты в таблицу (раздел Б).
  5.  Открыть левую дверку камеры.
  6.  Установить на источник шума металлический кожух с экраном и плотно прижать его винтом.
  7.  Закрыть левую дверку камеры ключом.
  8.  Далее выполнить действия и измерения, перечисленные в п. 2–5 раздела А, и записать результаты в таблицу (раздел Б).
  9.  По данным измерений определить звукоизолирующую способность кожуха () в каждой из девяти октавных полос посредством вычитания соответствующих уровней звукового давления (дБ) до и после установки кожуха соответственно. Результаты расчетов записать в таблицу (раздел Б).
  10.   По формуле (1) определить расчетные значения во всех октавных полосах (при этом принять G = 8,0 кг/м2 и α = 0,01 для всех октавных полос). Результаты расчетов записать в таблицу (раздел Б).
  11.   По данным измерений построить график спектра шума в контрольной точке до и после установки кожуха.
  12.   Сделать выводы об эффективности металлического кожуха как средства звукоизоляции источника шума и о степени совпадения расчетных и экспериментальных результатов.

В. Оценка звукоизолирующей способности перегородки

  1.  Съемные звукоизолирующие щиты с «пола» и «потолка» камеры снять.
  2.  Кожух с динамика («источника шума») (если он был ранее установлен) также снять, а оставить только экран.
  3.  Перегородку, разделяющую камеру на две части, убрать, и дверки камеры плотно закрыть ключом.
  4.  Далее выполнить действия, перечисленные в п. 2 - 5 раздела А, и записать результаты в таблицу (раздел В).
  5.  Открыть дверки камеры, установить перегородку и прижать ее плотно винтом, а дверки камеры плотно закрыть ключом.
  6.  Выполнить снова действия, указанные в п. 2–5 раздела А, и записать результаты в таблицу (В).
  7.  По данным измерений определить звукоизолирующую способность перегородки () в каждой из девяти октавных полос посредством вычитания соответствующих уровней звукового давления (дБ) до и после установки перегородки. Результаты расчетов записать в таблицу (раздел  В).
  8.  По формуле (2) определить расчетные значения  во всех девяти октавных полосах, приняв G = 8,0 кг/м2. Результаты расчетов записать в таблицу (В).
  9.  По данным измерений построить график спектра шума в контрольной точке до и после установки перегородки.
  10.   Сделать выводы об эффективности фанерной перегородки как средства изоляции «тихого» помещения от «шумного» и о степени совпадения расчетных и экспериментальных результатов.

Г. Оценка эффективности акустической обработки помещения

  1.  Съемные звукопоглощающие щиты с «пола» и «потолка» камеры снять.
  2.  Кожух с динамика («источника шума») (если он был ранее установлен) также снять, а оставить только экран.
  3.  Перегородку, разделяющую камеру на две части, убрать и дверки камеры плотно закрываются ключом.
  4.  Далее выполнить действия, перечисленные в п. 2 - 5 раздела А, а результаты измерений записать в таблицу (раздел  Г).
  5.  Открыть дверки камеры, установить на место звукопоглощающие щиты – на «пол» и «потолок» камеры, дверки вновь плотно закрыть ключом.
  6.  Далее выполнить действия, перечисленные в п. 2–5 раздела А, а результаты измерений записатьь в таблицу (раздел Г).
  7.  По данным измерений определить эффективность акустической обработки помещения () в каждой из девяти октавных полос посредством вычитания соответствующих уровней звукового давления (дБ) до и после установки звукопоглощающих щитов. Результаты расчетов записать в таблицу (раздел  Г).
  8.  По формуле (3) определить расчетные значения значения  во всех девяти октавных полосах. Результаты расчетов записать в таблицу  (Г) (значения α1, α2, S1, S2 приведены в указанной таблице).
  9.  По данным измерений построить график спектра шума в контрольной точке до и после акустической обработки помещения.
  10.   Сделать выводы об эффективности акустической обработки помещения как метода снижения шума и степени совпадения расчетных и экспериментальных результатов.

Контрольные вопросы

  1.  Что такое шум?
  2.  В чем проявляется вредное воздействие шума на организм человека?
  3.  Как связаны между собой длина звуковой волны, скорость звука и его частота?
  4.  Что такое звуковая мощность источника шума?
  5.  Что такое интенсивность звука?
  6.  Что такое звуковое давление?
  7.  Что такое уровень интенсивности звука и уровни звукового давления (LJ и LР)?
  8.  Какова связь между LJ и LР?
  9.  Что такое октава?
  10.   Что такое уровень звука (дБА)?
  11.   Как различаются шумы по характеру спектра?
  12.   Как подразделяются шумы по временным характеристикам?
  13.   Принципы нормирования шума?
  14.   Что такое эквивалентный уровень звука (LА.экв)?
  15.   Перечислите основные методы защиты от шума.
  16.   От чего зависит:

а) звукоизолирующая способность кожуха;

б) звукоизолирующая способность перегородки;

в) эффективность акустической обработки помещения?

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ

Цель работы – ознакомиться на практике с методами измерения параметров общей вибрации, ее нормированием и оценкой эффективности виброизоляции.

1. сведения о вибрации

Вибрацией  обычно  называют  упругие  колебания, распространяющиеся  по  конструкциям и элементам зданий  и  сооружений,  машин,  механизмов и т. п. В ГОСТ 2.1346-80 вибрация определяется как «…движение точки или механической системы, при которой  происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты».

Вибрирующую систему можно охарактеризовать следующими параметрами:

x – вибросмещение, т.е. наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения  равновесия; v – виброскорость  (dx/dτ); a – виброускорение (dv/dτ); T – период колебаний; f – частота колебаний.

Смещение точки относительно положения равновесия (х) в любой момент времени можно записать в виде

X = Asin(ωτ + φ),                                                     (1)

где ω – угловая частота колебаний; τ – время; φ – начальная  фаза.

Тогда  виброскорость (v) и  виброускорение (а) – важнейшие  параметры, характеризующие  вибрацию, соответственно  будут  иметь следующий вид:

v = dx / = Aωcos (ωτ + φ ) ,                                    (2)

а = dv / = - Aω2 sin (ω τ + φ ).                                   (3)

Из этих выражений следует, что  максимальные  значения скорости  и  ускорения  колебательного  движения (вибрации) соответственно  примут вид

vmax = 2πfA;  аmax = 2πfvmax .                                          (4)

Если вибрации имеют несинусоидальный характер, то их можно представить в виде суммы синусоидальных (гармонических) составляющих с помощью разложения в ряд Фурье.

Вибрацию, создаваемую какой-либо работающей машиной, принято рассматривать как стационарный случайный процесс, поскольку в реальных  условиях такие ее параметры, как амплитуда, виброускорение стохастически  варьируют во времени. Это значит, что величины математических ожиданий и дисперсий параметров, характеризующих вибрацию, постоянны (не зависят от времени).

Вибрацию обычно изображают в виде зависимости средних квадратичных значений виброускорений от частоты (так называемых спектрограмм виброускорения). При построении таких спектрограмм соответствующий частотный диапазон делят на полосы шириной в октаву или 1/3 октавы. Частотная полоса характеризуется среднегеометрической частотой fср, которая определяется по формуле

                                                (5)

Тогда для октавной и 1/3-октавной полос эти частоты соответственно примут вид

,  .                                    (6)

На практике виброускорение изменяется в очень широких пределах. Поэтому для количественной характеристики таких параметров часто применяют логарифмический уровень – уровень виброускорения Lа , дБ, определяемый по формуле

La  = 10 lg (a2/a02 ) = 20 lg a/a0 ,                                           (7)

где а0 – опорное значение виброускорения, равное а0 = 10-6 м/с2.

2. Действие вибрации на человека. Нормирование вибрации

При вибрации происходит взаимное распределение колебательной энергии между телом человека и машиной (конструкцией). Колебания распространяются по телу человека, вовлекая в вибрацию отдельные органы и части тела. Все они обладают собственными инерционными, упругими и демпфирующими свойствами.

При воздействии общей вибрации на работающего у него наблюдается нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограниченной подвижности; в отношении сидящего человека вибрация представляет собой фактор риска в первую очередь для поясничных позвонков и связанных с ними нервных окончаний. Большие механические напряжения, нарушения питания ткани диска могут вызвать развитие дегенеративных процессов в поясничных сегментах позвоночника (спондилез, межпозвонковый остеохондроз, артроз). Воздействие общей вибрации может привести также к появлению определенных эндогенных патологических отклонений позвоночника. Кроме того, вибрация может оказывать влияние на органы пищеварения, мочевыделительную систему и женские репродуктивные органы.

Обычно изменения в состоянии здоровья человека проявляются только после продолжительного многолетнего воздействия общей вибрации. Поэтому для оценки влияния на организм необходимо иметь представительные данные об этом воздействии за длительный период времени.

Если частоты колебания рабочих мест (машин и конструкций) совпадают с собственными частотами колебаний внутренних органов людей, работающих на этих машинах (конструкциях), т.е. возникает явление резонанса, то возможно механическое повреждение этих органов, вплоть до разрыва. Для большинства внутренних органов человека частоты собственных колебаний составляют 6 - 9 Гц.

Использование технологических процессов и механизированного инструмента, вызывающих воздействие локальной вибрации на руки оператора, широко распространено в ряде отраслей промышленности. Эта вибрация может являться следствием вращательного или ударного движения, производимого ручными машинами. Воздействие на руки может иметь место и вследствие вибрации обрабатываемой детали, которую оператор держит в руках, а также при ручном управлении машиной, например от руля мотоцикла или рулевого колеса автомобиля.

Повышенная локальная вибрация может приводить к нарушениям потоков крови в периферических сосудах рук, неврологических и локомоторных функций кисти и всей руки. По оценкам специалистов 1,7%3,6%,  рабочих в развитых странах подвергаются потенциально опасному воздействию локальной вибрации. Термин «синдром локальной вибрации» широко используют для определения нарушений деятельности периферических сосудов, неврологических и мышечно-скелетных повреждений, обусловленных воздействием локальной вибрации. Проявления неврологических или сосудистых нарушений у рабочих, подверженных воздействию такой вибрации, могут носить как индивидуальный, так и групповой характер. В некоторых странах болезни сосудов и суставов, вызванные действием локальной вибрации, причислены к профессиональным заболеваниям с соответствующим возмещением нанесенного здоровью ущерба.

Качественные и количественные критерии и показатели неблагоприятного воздействия вибрации на человека установлены санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.566–96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации – это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. 

По способу  передачи человеку различают два типа вибрации:

  •  общую, передаваемую через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;
  •  локальную, передающуюся через руки человека.

Общая вибрация с точки зрения ее нормирования подразделяется на транспортную (1-я категория), транспортно-технологическую (2-я категория) и технологическую (3-я категория).

По месту действия общую вибрацию 3-й категории подразделяют на следующие типы:

  •  3а – на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;
  •  3б – на рабочих местах, на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещениях, где нет машин, генерирующих вибрацию;
  •  3в – на рабочих местах в помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных  центров, здравпунктов, в конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда.

По  характеру  спектра вибрации выделяют:

  •  узкополосные вибрации, у которых контролируемые параметры в одной  1/3-октавной полосе частот более чем на 15 дБ превышают значения в соседних  1/3-октавных  полосах;
  •  широкополосные  вибрации  с  непрерывным  спектром  шириной  более  одной  октавы.

По  частотному составу вибрации выделяют:

  •  низкочастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах частот 1–4 Гц для общих вибраций, 8–16 Гц – для  локальных вибраций);
  •  среднечастотные вибрации (8–16 Гц – для общих вибраций, 31,5–63 Гц – для локальных вибраций);
  •  высокочастотные вибрации (31,5–63 Гц  для общих вибраций, 125–1000 Гц - для локальных вибраций).

По  временным  характеристикам выделяют:

  •  постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в два раза (на 6 дБ) за время наблюдения;
  •  непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров  изменяется не менее чем в два раза (6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с постоянной времени 1 с, в т.ч.:

а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;

б) прерывистые вибрации, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с;

в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких  вибрационных воздействий (например ударов), каждый длительностью менее 1 с.

Гигиеническая оценка постоянной и непостоянной вибрации, воздействующей на человека, должна производиться следующими методами:

  •  частотным (спектральным) анализом нормируемого параметра;
  •  интегральной оценкой по частоте нормируемого параметра;
  •  интегральной оценкой с учетом времени вибрационного воздействия по  эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра.

Нормируемый диапазон частот:

  •  для локальной вибрации в виде октавных полос со среднегеометрическими  частотами: 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500 и 1000 Гц ;
  •  для общей вибрации в виде октавных или 1/3-октавных полос со  среднегеометрическими частотами: 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80 Гц.

При частотном (спектральном) анализе нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброускорения (а) или его логарифмический уровень (Lа), измеряемый в 1/1- или 1/3-октавных полосах частот.

При интегральной оценке по частоте нормируемым параметром является корректированное значение виброускорения (U) или его логарифмический уровень (LU). Корректированный уровень вибрации – одночисловая характеристика вибрации, определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных полосах частот с учетом октавных поправок. Он измеряется с помощью корректирующих фильтров или вычисляется по формулам

                                               (8)

или  

,                                 (9)

где n – число частотных полос (1/3 или 1/1 октав) в нормируемом частотном диапазоне;

Ui, LU  – среднее квадратичное значение контролируемого параметра вибрации (виброускорения) или его логарифмический уровень в i-й частотной полосе;

Кi,  – весовые коэффициенты для i-й октавной полосы соответственно для абсолютных значений или их логарифмических уровней (табл. 1).

Таблица 1

Значения весовых коэффициентов Ki и Lki, дБ

Среднегео-метрические частоты полос, Гц

Общая вибрация, для виброускорения

в 1/3 октаве

в 1/1 октаве

Zo

Xo, Yo

Zo

Xo, Yo

Ki

Lki

Ki

Lki

Ki

Lki

Ki

Lki

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,80

0,45

-7

1,000

0

0,50

-6

1,0000

0

1,00

0,50

-6

1,000

0

1,25

0,56

-5

1,000

0

1,60

0,63

-4

1,000

0

0,71

-3

1,0000

0

2,00

0,71

-3

1,000

0

2,50

0,80

-2

0,800

-2

3,15

0,90

-1

0,630

-4

1,00

0

0,5000

-6

4,00

1,00

0

0,500

-6

5,00

1,00

0

0,400

-8

6,30

1,00

0

0,315

-10

1,00

0

0,2500

-12

8,00

1,00

0

0,250

-12

10,00

0,80

-2

0,200

-14


Окончание таблицы 1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

12,50

0,630

-4

0,160

-16

0,5

-6

0,1250

-18

16,00

0,500

-6

0,125

-18

20,00

0,400

-8

0,100

-20

25,00

0,315

-10

0,080

-22

0,25

-12

0,0630

-24

31,50

0,250

-12

0,063

-24

40,00

0,200

-14

0,050

-26

50,00

0,160

-16

0,040

-28

0,125

-18

0,0315

-30

63,00

0,125

-18

0,0315

-30

80,00

0,100

-20

0,0250

-32

Примечание: При оценке общей вибрации категорий 2 и 3  значения весовых коэффициентов для направлений Xo, Yo принимаются равными значениям для направления Zo.

При интегральной вибрации с учетом времени ее воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемым параметром является эквивалентное корректированное значение виброускорения (UЭКВ ) или его логарифмический уровень (LЭКВ). Эквивалентный (по энергии) корректированный уровень изменяющейся во времени вибрации - это корректированный уровень постоянной во времени вибрации, которая имеет такое же среднеквадратичное корректированное значение виброускорения, что и данная непостоянная вибрация в течение определенного интервала времени. Он вычисляется по формулам

                                                  (10)

или

,                                      (11)

где Ui  - корректированное по частоте значение контролируемого параметра виброускорения (а, Lа);

 ti – время действия вибрации, ч;

 Т – общее время вибрации, ч;

,                                                              (12)

здесь n – общее число временных интервалов действия вибрации. Пример расчетов приведен в прил. 1.

В табл. 2 в качестве примера приведены нормируемые значения параметров общей технологической вибрации категории 3 (извлечение из
СН 2.2.4/2.1.8.566–96).

Таблица 2

Предельно  допустимые  значения  вибрации  рабочих  мест
категории 3 (технологической) в 1/1-октавных полосах частот

Среднегеометри-ческие частоты полос, Гц

Предельно допустимые значения виброускорения по осям X, Y, Z

м/с2

дБ

Тип «а»

2

0,14

103

4

0,10

100

8

0,10

100

16

0,20

106

31,5

0,40

112

63

0,79

118

Тип «б»

2

0,056

95

4

0,040

92

8

0,040

92

16

0,079

98

31,5

0,160

104

63

0,320

110

Тип «в»

2

0,020

86

4

0,014

83

8

0,014

83

16

0,028

89

31,5

0,056

95

63

0,110

101

В соответствии с руководством Р 2.2.2006-05 по уровню локальной и общей вибрации, т.е. превышению фактического уровня виброускорения над нормируемым, различают следующие классы условий труда (см. табл. 3).

Таблица 3

Классы условий труда в зависимости от уровней локальной и общей вибрации
на рабочем месте

Название фактора, показатель, единица измерения

Классы условий труда

Допус-тимый

Вредный

Опасный (экстрем.)

2

3.1

3.2

3.3

3.4

4

Превышение ПДУ до …дБ

ВИБРАЦИЯ ЛОКАЛЬНАЯ

Эквивалентный корректи-рованный уровень виб-роускорения, дБ

Не более ПДУ

3

6

9

12

Более 12

ВИБРАЦИЯ общая

Эквивалентный корректи-рованный уровень виб-роускорения, дБ

Не более ПДУ

6

12

18

24

Более 24

Основными методами защиты от вибрации являются:

  •  снижение вибрации в источнике ее возникновения;
  •  уменьшение параметров вибрации по пути ее распространения от источника (виброизоляция, виброгашение, вибродемпфирование).

Виброизоляция (англ. vibration-isolation) – снижение вибрации, достигаемое установкой между оборудованием и рабочим местом человека (оператора) упругих элементов (виброизоляторов см. рис. 1). Численно виброизоляция оценивается ослаблением колебаний в защищаемом объекте после установки препятствия между точкой приема и районом расположения источника вибраций. Для изготовления виброизоляторов используют упругие материалы и прежде всего металлические пружины, резину, пробку, войлок. Выбор того или иного материала обычно определяется величиной требуемого статистического прогиба и условиями, в которых виброизолятор будет работать. Резина имеет малую плотность, хорошо крепится к деталям, ей легко придать любую форму, и она обычно используется для виброизоляции машин малой и средней массы (ДВС, электродвигателей и др.). В виброизоляторах резина работает на сдвиг и (или) сжатие. Металлические пружины применяют обычно тогда, когда требуется большой статистический прогиб или когда рабочие условия делают невозможным применение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако металлические пружины имеют тот недостаток, что, будучи  спроектированы на низкую частоту, они пропускают более высокие частоты. Пробку используют при нагрузке 50–150 кПа, соответствующей рекомендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала устанавливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фундамента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2–15 см. Увеличение толщины будет понижать частоту, выше которой виброизоляция эффективна, но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. Войлок толщиной 1–2,5 см., занимающий площадь 5 % площади основания машины, – весьма распространенный изолирующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.

Виброгашение  – метод борьбы с вибрацией, основанный на принципе динамического поглотителя колебаний (присоединение к колеблющейся массе через гибкую связь другой массы, способной колебаться и ослаблять или полностью гасить колебания основной массы). Такой принцип виброгашения применяется для снижения вибрации высотных сооружений под воздействием ветра (дымовые трубы, мачты, антенны и т.п.).

Вибродемпфирование – это снижение вибрации объекта путем превращения ее энергии в другие виды (в конечном счете в тепловую). Увеличения потерь энергии можно достичь разными приемами: использованием материалов с большим внутренним трением; использованием пластмасс, дерева, резины; нанесением слоя упруго вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение (рубероид, фольга, мастики, пластические материалы и др.). Толщина покрытий берется равной 2–3 толщинам демпфируемого элемента конструкции. Хорошо демпфируют колебания смазочные масла или вибропоглощающие мастики.

Виброизоляторы пружинные предназначены для предотвращения распространения вибрации от вентиляторов по строительным конструкциям

Виброизоляторы резиновые предназначены для работы в качестве основных упругих связей между колеблющимися и неподвижными частями машин, а также виброизоляции машин

Виброопора ОВ-31м предназначена для виброизоляции станков среднего размера высокой и нормальной точности с жесткими станинами при наличии стационарных и случайных колебаний. Виброопоры дают возможность устанавливать оборудование без фундамента

Рис. 1 Примеры виброизоляторов и виброопор

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) от вибрации (см. рис. 2) по месту контакта оператора с вибрирующим объектом по ГОСТ 26568-85 подразделяют:

  •  СИЗ рук оператора подразделяют на рукавицы, перчатки, вкладыши, прокладки. Рукавицы виброзащитные (антивибрационные рукавицы) обеспечивают защиту от вредного влияния вибрации. Подобная защита особенно актуальна для дорожных рабочих и рабочих строительных специальностей–тех, кто постоянно работает с виброинструментом. К числу таких инструментов относятся разнообразные отбойные молотки, сверлильные машины, мощные перфораторы, виброплиты, гайковерты и т.п. Обычно рукавицы виброзащитные изготавливаются из хлопчатобумажной ткани, а высокая эффективность защиты от травматических воздействий достигается за счет применения упругих и демпфирующих элементов вибропоглотителя. Чаще всего виброзащитный слой изготавливается из поролона, возможно дополнительное усиление ладонной части специальной накладкой из брезента. Перчатки виброзащитные изготавливаются из ткани, устойчивой к истиранию и подкладки, между которыми располагаются 13 демпфирующих элементов прокладки. В качестве демпфирующей прокладки используется пористая резина толщиной 3–4 мм, плотностью 0,5–0,7 г/см3. Перчатки антивибрационные: материал верха выполняется из толстой кожи с водоотталкивающей пропиткой; антивибрационный пакет обеспечивает защиту всей кисти руки, включая кончики пальцев; дополнительная кожаная накладка защищает суставы пальцев от механических воздействий; жесткая манжета шириной 10 см позволяет  фиксировать руку в нейтральном положении. Манжета закрепляется эластичной лентой, препятствуя распространению остаточной вибрации выше по руке. Внутренняя гигиеничная ткань, продублирована вспененным полиуретаном.
  •  СИЗ ног оператора подразделяют на обувь, подметки, наколенники. Обувь  имеет специальную подошву с виброгасящим элементом.
  •  СИЗ тела оператора по форме исполнения подразделяют: нагрудники; пояса; специальные костюмы.

Для профилактики вибрационной болезни персонала, работающего с вибрирующим оборудованием, необходимо строго  соблюдать режимы труда  и отдыха, чередуя при этом рабочие операции, связанные с воздействием вибрации, и операции без нее.

Рис. 2.   Средства индивидуальной защиты от вибрации

а – рукавицы антивибрационные с ПВХ наладонником; б – рукавицы антивибрационные с брезентовым наладонником; в – обувь с виброгасящим элементом; г – перчатки антивибрационные;
д –перчатки виброзащитные ВЗ; е – наколенники виброзащитные

3. Оценка эффективности виброизоляции

Одним из наиболее распространенных способов снижения вибрации, передаваемой от работающего оборудования человеку (оператору), является виброизоляция. Эффективность виброизоляции оценивается коэффициентом передачи (μ), который показывает, какая часть динамической силы (Fн), возбужденной в источнике, передается через амортизаторы к защищаемому объекту (Fо). Он может быть определен расчетным путем (осредненный по всему частотному диапазону) по формуле

                                  ,                                        (13)

где f – частота вынужденных колебаний источника вибрации, Гц,

                                           .                                                             (14)

Здесь n – число оборотов объекта возмущения в минуту;

fo собственная частота колебаний виброизолированной системы (Гц), которую можно определить из выражения

                                     .                                                     (15)

Здесь g   – ускорение свободного падения, м/с2;

хст – статическая осадка амортизаторов под действием собственного веса виброизолированной системы, м.

Из выражения (13) видно, что виброизоляция будет «работать» только тогда, когда , и чем больше будет отношение , тем эффективнее будет изоляция. При f = fo, наоборот, будет иметь место резонанс, когда вибрация, передаваемая от источника вибрации на рабочее место человека (оператора), не снижается, а теоретически неограниченно возрастает.

При фиксированной обусловленной технологическими требованиями частоте вынужденных колебаний системы (f)  снижать коэффициент передачи вибрации (μ) можно только путем снижения частоты собственных колебаний системы (fo). Снижать μ путем увеличения статической осадки (хст) нецелесообразно, т.к. это приводит к слишком сложным и дорогостоящим конструкциям амортизаторов с большими габаритами, а система на таких амортизаторах приобретает слишком большую подвижность. Поэтому приходится прибегать к разумному компромиссу между гигиеническими, техническими и экономическими требованиями и ограничиваться в реальных условиях отношением , что соответствует  для резиновых и аналогичных им амортизаторов. Для пружинных амортизаторов оптимальной величине μ, при данных условиях соответствуют значения . Эффективность виброизоляции системы может быть определена по формуле, дБ:

                                       .                                                  (16)

По измеренному значению ΔL можно из опыта определить величину коэффициента передачи вибрации и соответствующей частотной полосы по формуле

                                          .                                             (17)

где μэ – коэффициент передачи, получаемый из опыта по величине ΔL.

4. Описание лабораторной установки

Исследование вибрации проводится на лабораторной установке
(см. рис. 3). На платформе 6 жестко установлен коллекторный электродвигатель 3 с насаженным на конец вала диском, на котором при помощи эксцентрика крепится груз таким образом, что дисбаланс диска можно изменять, закрепляя груз на разных расстояниях от центра диска. Платформа 6 с электродвигателем 3 через четыре пружинных амортизатора 8 опирается на основание 7. С помощью автотрансформатора 9 число оборотов двигателя может изменяться и контролироваться тахометром 1 с преобразователем 2.

В качестве виброизмерительного прибора может использоваться любой измеритель шума и вибрации 5 (например, ВШВ – 003 на рис. 4), позволяющий измерять виброскорости и виброускорения, а также их уровни  в октавных частотных полосах.

В качестве датчиков используются вибропреобразователи ДН-4 (крепится в т. А, т.е. на платформе 6) и ДН-3 (крепится в т. Б, т.е. на основании 7). Сигнал от вибропреобразователей передается на измерительный прибор 5 через предусилитель  4.

Описанный виброблок (электродвигатель, платформа и амортизаторы) помещается в специальном кожухе с откидными крышками с торцевых сторон для обеспечения доступа к маховику механизма прижима виброблока, диску с грузом и платформе. Сверху на кожухе имеется площадка с отверстиями, которые закрыты пробками. В эти отверстия при необходимости устанавливается держатель с индикатором часового типа для измерения статической осадки амортизатора (хст). Величина статической осадки (хст) указывается на корпусе установки (в миллиметрах).

а

б

Рис. 3. Внешний вид (а) и принципиальная схема (б) лабораторной установки:

1 – тахометр; 2 – преобразователь; 3 – коллекторный электродвигатель;
4 – предусилитель ПМ-3; 5 – измерительный прибор; 6 – платформа;

7 – основание; 8 – пружинные амортизаторы; 9 – автотрансформатор;

А, Б – точки установки вибропреобразователей


Рис. 4. Лицевая панель прибора ВШВ-003.

1 – Цифровой прибор; 2 – шкала dВ (М101); 3 – светодиод; 4 – переключатель рода работы; 5 – шкала  -∞…+10 дБ; 6 – делитель dБ1; 7 – кнопка «V»;
8 – делитель
dБ2; 9 – переключатель частот; 10 – кнопка «Фильтры октавные»; 11 – переключатель «Фильтры»


На лицевой стороне кожуха размещена панель управления, включатель питания сети расположен на левой плоскости корпуса.

5. Порядок выполнения работы

5.1. Переключатели измерительного прибора

При измерении характеристик вибрации (уровня виброускорения) переключатели прибора ВШВ-003 установите в положения (см. рис. 4):

  •  делитель dВ1 – 80;
  •  делитель dВ2 – 50;
  •  фильтры – лин;
  •  род работы – S.

В таком положении переключателей будет загораться светодиод у значений 103 м•S-2, 104 мм•S-1 и 130 дБ по шкале, дБ.

5.2. Измерение уровня виброускорения

Замерьте уровни виброускорения La в точках А (датчик ДН-4) и Б (датчик ДН-3). Для этого переключатели прибора установите в положения согласно
п. 5.1, подключив сначала датчик ДН-4 к предусилителю ПМ-3. Сначала с помощью делителя
dВ1, а затем (если нужно) с помощью делителя dВ2 стрелку показывающего прибора вывести правее отметки «0» шкалы -∞ …+10 дБ
(см. рис. 4).

Сложите показания светодиода по шкале dB (М101) с показаниями показывающего прибора (по шкале -∞…+10 дБ), прибавьте к полученному результату 60 дБ и запишите  в графу «La, общий уровень» таблицы, приведенной в пункте 6 (стр. 84).

После этого нажмите кнопку «Фильтры октавные» и последовательно измерьте уровни La в октавных полосах. Используйте только делитель dВ2, всякий раз добиваясь отклонения стрелки показывающего прибора правее нулевой отметки шкалы (-∞…+10 дБ), при этом делитель dВ1 должен оставаться в положении, выбранном при измерении виброускорения по общему уровню. Сложите показания светодиода по шкале dB (М101) с показаниями показывающего прибора (по шкале -∞…+10 дБ), прибавьте 60 дБ и запишите полученные результаты в графу La для т. А, соответствующую октавным частотам.

Все измерения, приведенные для А, проделайте и для Б, предварительно подключив к предусилителю ПМ-3 датчик ДН-3 (т. Б).

 Переключение датчиков производится при выключенном приборе ВШВ-003.

При измерении уровней La от суммы полученных результатов по шкалам (dB М101) и (-∞…+10 дБ) отнимите 60 дБ.

6. Порядок выполнения работы

Внимательно ознакомившись с данной методикой и удовлетворительно ответив на контрольные вопросы преподавателя, студент получает одно из перечисленных ниже заданий и приступает к его выполнению.

Задание 1.
Определение класса условий труда по виброакустическим факторам

  1.  Кнопкой «Пуск» включите электродвигатель, а рукояткой управления автотрансформатором установите заданное преподавателем число оборотов двигателя (n) и поддерживайте его в течение всего периода измерений.
  2.  Произведите измерения уровня виброускорения (La) с помощью датчика ДН3, установленного на рабочем месте (т. Б), в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 16; 31,5 и 63 Гц.
  3.  Результаты измерений запишите в таблицу результатов измерений.
  4.  Рассчитайте корректированное или эквивалентное корректированное значение вибрации по методике, описанной далее в пункте 7.
  5.  Определите класс условий труда по вибрации (см. табл. 3).
  6.  Сделайте выводы по работе:
  •  о возможности работы при измеренном уровне вибрации;
  •   необходимости  мероприятий по ее снижению.


Результаты измерений

Параметры вибрации

Общий уровень

Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц

16

31,5

63

1

2

3

4

5

6

1

Параметры вибрации в т. А– уровень виброускорения La, дБ

2

Нормируемые значения параметров вибрации–уровень виброускорения La, дБ

3

Требуемое снижение параметров вибрации– уровень виброускорения La, дБ

1

2

3

4

5

6

4

Параметры вибрации на «рабочем месте» (т. Б)–уровень виброускорения L a, дБ

5

Эффективность виброизоляции ΔL, дБ

6

Экспериментальный коэффициент передачи вибрации μэ

7

Расчетный коэффициент передачи вибрации μр

Задание 2.
Исследование эффективности виброизоляции

1. Кнопкой «Пуск» включите электродвигатель, а рукояткой управления автотрансформатором установите заданное преподавателем число оборотов двигателя (n) и поддерживайте его в течение всего периода измерений.

2. Произведите измерения уровня виброускорения (La) с помощью датчика ДН4, установленного на вибрирующей системе (т. А), и датчика ДН3, установленного на рабочем месте (т. Б), в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 16; 31,5 и 63 Гц (при использовании прибора ВШВ-003).

3. Определите по заданному преподавателем числу оборотов двигателя, при котором проводились вышеперечисленные измерения, частоты возмущающей силы по формуле (14).

4. По формуле (15) определите частоту собственных колебаний вибросистемы. Величина статической осадки пружин под действием собственного веса вибросистемы указана на корпусе установки в миллиметрах.

5. По формуле (17) определите величину коэффициента передачи вибрации как по общему уровню, так и в октавных полосах, и результаты запишите в таблицу результатов, приведенной ранее, в графу для «μэ».

6. По формуле (13) определите расчетное значение коэффициента виброизоляции μр, запишите его в таблицу результатов, приведенную ранее, и сравните его с полученными значениями «μэ», рассчитанными по формуле (17).

7. Сделайте выводы по работе:

  •  о необходимых  мероприятиях по снижению вибрации;
  •   эффективности виброизоляции (сравнение значений μр и μэ).

7. Расчет корректированных значений вибрации
и их уровней

1. Расчет корректированного уровня вибрации может производиться двумя способами:

а) с использованием абсолютных значений вибрации, измеренных в октавных полосах частот по формулам (8), (9);

б) путем энергетического суммирования логарифмических уровней вибрации (в дБ) с использованием табличных значений поправок к разности слагаемых уровней.

В табл. 4, 5 дано два варианта расчета корректированного уровня производственной локальной вибрации, проведенного с использованием данных конкретных измерений.

Пример: При обработке чугунного литья рубильным молотом в результате измерений уровней виброускорения в октавных полосах частот были получены следующие данные:


Таблица 4

Пример расчета корректированного уровня виброускорения (вариант I)

Среднегеомет-рические частоты, октавных полос, Гц

Уровни виброус-корения, дБ

Абсолютные значения виброуско-рения, м/с2

Обозна-чение

Значения весовых коэффициентов

Ki

16

112

4·10-1

0,5

-6

31,5

120

1

0,25

-12

63

116

6,3·10-1

0,125

-18

В таблице 7 приведен перевод абсолютных значений виброускорения (м/с2) в значения уровня виброускорения (дБ).

Для определения корректированного значения виброускорения по формуле (8)

 м/с

дБ.

Для определения корректированного значения виброускорения по формуле (9):

110,2 дБ

Таблица 5

Пример расчета корректированного уровня виброускорения
путем энергетического сумм
ирования (вариант II)

Среднеге-ометрические частоты октавных полос, Гц

Уровни виброус-корения, дБ

Значение весовых коэффици-ентов

Корректирован-ные октавные уровни виброускорения, дБ

Данные попарного энергетического суммирования уровней виброускорения с учетом поправок по табл.7

16

112

-6

106

106,0

110,2

31,5

120

-12

108

108,4

63

116

-18

98

В таблице 5 показан пример расчета корректированного уровня производственной вибрации путем энергетического суммирования уровней виброускорения, измеренных в октавных полосах частот. Энергетическое суммирование уровней виброускорения производят попарно: 108 и 98 (разность 10 дБ), поправка по табл. 6, равная 0,4 дБ, прибавляется к большему уровню 108 дБ, что дает 108,4 дБ; 108,4 и 106 (разность 2,4 дБ), поправка – 1,8 дБ, сумма – 110,2 дБ. Таким образом, сложение полученных сумм дает окончательный результат в виде корректированного уровня виброускорения, равного 110,2 дБ.


Таблица 6

Значения добавок, , дБ, в зависимости от разности слагаемых уровней

Разность слагаемых

уровней   дБ

Добавка,  дБ

0

3,0

1

2,5

2

2,2

3

1,8

4

1,5

5

1,2

6

1,0

7

0,8

8

0,6

9

0,5

10

0,4

Контрольные вопросы

  1.  Что такое «вибрация»?
  2.  Какова связь параметров, характеризующих простое гармоническое колебание?
  3.  Как связаны между собой верхняя и нижняя частоты в октавной и третьоктавной полосах?
  4.  Как связаны между собой среднегеометрические и нижняя частоты для октавной полосы?
  5.  Как связаны между собой уровень виброускорения (Za) и абсолютное значение виброускорения (а)?
  6.  Как классифицируются вибрации?
  7.  Чем отличается общая вибрация от локальной?
  8.  Как осуществляется нормирование вибрации?
  9.   Каковы основные методы защиты от вибрации?
  10.   Что такое виброизоляция?
  11.  Что характеризует коэффициент передачи вибрации и как он определяется?
  12.   Как определяется частота собственных колебаний вибросистемы?
  13.   Дайте формулировку «предельно допустимый уровень вибрации».


Таблица 7

Соотношение между логарифмическими уровнями виброускорения в дБ и его значениями, м/с

Десятки,

дБ

Единицы, дБ

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

70

3,2∙10-3

3,5∙10-3

4,0∙10-3

4,5∙10-3

5,0∙10-3

5,6∙10-3

7,0∙10-3

7,9∙10-3

7,9∙10-3

8,9∙10-3

80

1,0∙10-2

1,1∙10-2

1,3∙10-2

1,4∙10-2

1.6∙10-2

1,8∙10-2

2,0∙10-2

2,2∙10-2

2,5∙10-2

2,8∙10-2

90

3,2∙10-2

3,5∙10-2

4,0∙10-2

4,5∙10-2

5,0∙10-2

5,6∙10-2

6,3∙10-2

7,0∙10-2

7,9∙10-2

8,9∙10-2

100

1,0∙10-1

1,1∙10-1

1,3∙10-1

1,4∙10-1

1,6∙10-1

1,8∙10-1

2,0∙10-1

2,2∙10-1

2,5∙10-1

2.8∙10-1

110

3,2∙10-11

3,5∙10-1

4,0∙10-1

4,5∙10-1

5,0∙10-1

5,6∙10-1

6,3∙10-1

7,0∙10-1

7,9∙10-1

8,9∙10-1

120

1,0

1,1

1,3

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,5

2,8

130

3,2

3,5

4,0

4,5

5,0

5,6

6,3

7,0

7,9

8,9

140

1,0∙10

1,1∙10

1,3∙10

1,4∙10

1,5∙10

1,8∙10

2,0∙10

2,2∙10

2,5∙10

2,8∙10

150

3,2∙10

3,5∙10

4,0∙10

4,5∙10

5,0∙10

5,6∙10

6,3∙10

7,0∙10

7,9∙10

8,9∙10

160

1,0∙102

1,1∙102

1,3∙102

1,4∙102

1,6∙102

1,8∙102

2,0∙102

2,2∙102

2,5∙102

2,8∙102


Электробезопасность

  1.  ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток – процесс направленного движения заряженных частиц в проводнике электрического тока под действием приложенного напряжения между двумя точками проводника. Электрический ток не виден, не имеет цвета, запаха, вкуса. По природе происхождения электрический ток бывает постоянным и переменным. Электрический ток характеризуется параметрами:

  1.  сила тока I, A;
    1.  напряжение U, B;
      1.  частота f, Гц;
      2.  период Т = 1/f , Гц-1.

Электрический ток является опасным производственным фактором. Анализ статистики производственного травматизма показывает, что число травм, вызванных электрическим током, сравнительно не велико (2–3%) в общем количестве производственных травм. Однако с летальным исходом они составляют 10–15 % от общего количества травм, произошедших по другим причинам, причем до 75 % смертельных поражений током происходит при напряжении до 1000 В.

  1.  ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Степень поражения человека при прохождении через него электрического тока зависит от силы электрического тока, рода и значения напряжения, частоты электрического тока, пути прохождения тока через организм человека, продолжительности действия, условий внешней среды, электрического сопротивления тела человека.

2.1. Сила тока

Сила тока является основным поражающим фактором. Установлены следующие пороговые значения силы тока:

1. ток ощутимый составляет 0,5–1,5 мА для переменного (f = 50 Гц) и
5–7 мА для постоянного тока, при этом характерно легкое покалывание, слабый зуд при переменном токе и ощущение нагрева кожи на участке, касающемся токопроводящей части, при постоянном токе;

2. ток неотпускающий составляет 10 – 15 мА для переменного и 50 –  80 мА для постоянного тока, при этом характерна едва переносимая боль с непроизвольным сокращением мышц предплечья, невозможность разжать руку;

3. ток фибрилляционный (смертельный) составляет 80–100 мА и более для переменного и 300 мА для постоянного тока, при этом возникает фибрилляция сердца, т.е. хаотические, быстрые и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), при которых сердце перестает работать как насос и не в состоянии обеспечить движение крови по кровеносным сосудам, что влечет за собой недостаток кислорода, это, в свою очередь, приводит к прекращению дыхания, вследствие чего наступает смерть.

2.2.Продолжительность воздействия электрического тока

Анализ опытов над животными показывает прямую зависимость длительности прохождения электрического тока через организм на исход поражения. Такая зависимость объясняется тем, что с увеличением продолжительности воздействия тока на живую ткань возрастает значение тока, накапливаются последствия воздействия электрического тока и, наконец, повышается вероятность совпадения моментов прохождения тока через сердце с уязвимой фазой Т сердечного цикла (кардиоцикла).

Возрастание значения тока обусловлено уменьшением сопротивления организма. Последствия воздействия тока на живой организм выражаются в нарушении функций центральной нервной системы, изменении состава крови, местном разрушении тканей под влиянием выделяющегося тепла, нарушении работы сердца и легких.

Каждый цикл сердечной деятельности состоит из двух периодов: диастолы, когда желудочки сердца, находясь в расслабленном состоянии, заполняются кровью, и систолы, когда сердце, сокращаясь, выталкивает кровь в артериальные сосуды. Наиболее уязвимым сердце становится в фазе Т (0,2 с), когда заканчивается сокращение желудочков в диастоле и они переходят в расслабленное состояние. Весь период кардиоцикла составляет 0,75 – 1,0 с. Поэтому если во время фазы Т через сердце проходит электрический ток, то, как правило, возникает фибрилляция сердца.

Согласно ГОСТ 12.1.038–82 [5] в зависимости от длительности протекания электрического тока через тело человека установлены предельно допустимые значения силы тока для переменного тока частотой 50 Гц: 500 мА в течение 0,1 с и 50 мА в течение 1 с.

2.3. Частота и род тока

Наиболее опасным является электрический ток с частотой 20–100 Гц. Зависимость опасности поражения человека от частоты электрического тока в пределах от 50 Гц и выше может быть выражена следующей приближенной формулой

,

где L – опасность поражения, %;

f – частота тока , Гц.

Электрический ток с частотой 450–500 кГц не может поразить человека, (отсутствует движение ионов в организме), но сохраняется возможность ожогов как при возникновении электрической дуги, так и при прохождении тока через тело человека.

Постоянный электрический ток примерно в 4–5 раз безопаснее переменного с частотой 50 Гц. Это видно из сравнения значений пороговых неотпускающих токов (50–80 мА и 10–15 мА соответственно с частотой 50 Гц) и предельно выдерживаемых напряжений: человек, удерживая цилиндрические электроды в руках, в состоянии выдерживать (по болевым ощущениям) приложенное к нему напряжение не более 21–22 В при 50 Гц и не более 100–105 В постоянного тока. Постоянный ток, проходя через тело человека, вызывает по сравнению с переменным более слабые сокращения мышц и менее неприятные ощущения. Обычно это ощущение нагрева кожи при малых токах или внутреннего нагрева при больших токах. Сказанное справедливо для напряжений до 500 В.

При более высоких напряжениях постоянный ток становится опаснее переменного частотой 50 Гц.

2.4. Электрическое сопротивление тела человека

Сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды.

Удельное объемное сопротивление различных тканей человека при прохождении электрического тока промышленной частоты составляет, Ом·м:

кожа сухая……………………………

кости…………………………………..

жировая ткань………………………..

мышечная ткань……………………..

кровь………………………………….

спинномозговая жидкость…………..

3·103

104

30

1,5

1

0,5

...2·104;

...2·106;

...60;

...3;

...2;

...0,6.

Кожа состоит из двух основных слоев:

  1.  наружного, называемого эпидермисом;
  2.  внутреннего – собственно кожи, называемого дермой.

Эпидермис, в свою очередь, состоит из пяти слоев, из которых самый верхний, как правило, более толстый, чем остальные вместе взятые, называется роговым. Роговой слой представляет собой несколько десятков рядов мертвых ороговевших клеток, имеющих вид чешуек, плотно прилегающих одна к другой. Толщина его на разных участках кожи колеблется в пределах 0,5–0,2 мм. В сухом и незагрязненном состоянии роговой слой имеет удельное сопротивление 105 –106 Ом·м.

Величина сопротивления тела человека на поверхности тела при сухой, чистой и неповрежденной коже (измеренное при напряжении 15–20 В) колеблется в пределах 3000–100000 Ом. Если соскоблить роговой слой, то сопротивление уменьшится до 1000–5000 Ом; если полностью удалить кожу, – до 300–500 Ом, что соответствует сопротивлению внутренних тканей. Повреждение рогового слоя, увлажнение кожи, потовыделение, загрязнение кожи снижает её сопротивление.

Путь прохождения тока

На практике установлено, что путь прохождения тока через тело человека играет существенную роль в исходе поражения. Так, если на пути тока оказываются жизненно важные органы – сердце, легкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика, поскольку ток воздействует непосредственно на них.

Если же ток проходит иными путями, то воздействие его может быть лишь рефлекторным, а не непосредственным.

Возможных путей тока через тело человека, которые именуются также петлями тока, очень много. Самые распространенные петли тока приведены в табл. 1 [5].

Таблица 1

Характеристика наиболее распространенных путей электрического тока
через тело человека*

Путь тока

Как часто возникает данный путь, %

Доля терявших сознание во время воздействия тока, %

Доля тока, проходящего через область сердца, %

Рука – рука

40

83

3,3

Правая рука – ноги

20

87

6,7

Левая рука – ноги

17

80

3,7

Нога – нога

6

15

0,4

Голова – ноги

5

88

6,8

Голова – руки

4

92

7,0

Прочие

8

65

* В таблице приведены данные поражения человека электрическим током, вызвавшего потерю трудоспособности, т.е. приведшего к несчастному случаю.

Наиболее опасными являются петли: голова – руки и голова – ноги, когда электрический ток может проходить через головной и спинной мозг. К счастью, эти петли возникают относительно редко.

Следующим по опасности является путь правая рука – ноги, который по частоте занимает второе место.

Наименее опасным является путь нога – нога, который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого напряжения шага.

3. ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЧЕЛОВЕКА

Электрический ток, проходя через тело человека, оказывает термическое, химическое, биологическое и механическое воздействие на его организм.

Термическое – ведет к опасным нагревам тканей и возникновению таких травм, как ожоги, электрические знаки, металлизация кожи.

Химическое – приводит к электролизу крови и других содержащихся в организме растворов, изменению их химического состава, нарушению их физиологических функций.

Биологическое – выражается в раздражении живых тканей организма, резких, непроизвольных судорожных сокращениях мышц, рефлекторном возбуждении нервной системы и нарушении внутренних биоэлектрических процессов.

Многообразие действий электрического тока на организм человека нередко приводит к различным электротравмам, которые можно свести к двум видам: местное повреждение организма и общие электротравмы –  так называемый электрический удар, когда поражается весь организм из-за нарушения нормальной деятельности жизненно важных органов и систем. Установлено, что наиболее уязвимым органом тела человека при прохождении через него электрического тока является сердце (табл. 2).

К местным электротравмам относятся:

  •  электрические ожоги двух типов – токовый (контактный) и дуговой. Различают четыре степени ожогов: Ι – покраснение кожи; ΙΙ – образование пузырей; ΙΙΙ –  омертвление всей толщи кожи; ΙV – обугливание тканей. Токовые возникают при напряжении не выше 1–2 кВ и являются  в большинстве случаев ожогами Ι и ΙΙ степени. Дуговые между токоведущей частью и телом человека  (дуга с весьма большой энергией и температурой свыше 3500 оС) вызывают тяжелые ожоги  ΙΙΙ и ΙV степени;
  •  электрические знаки – четко очерченные пятна серого или бледно-желтого цвета на поверхности кожи человека, подвергшейся действию тока. Знаки бывают также  в  виде царапин, ран, порезов или ушибов, бородавок, кровоизлияний в кожу и мозолей;
  •  электроофтальмия – поражение глаз, вызванное интенсивным излучением электрической дуги, спектр которой содержит вредные для глаз ультрафиолетовые и инфракрасные лучи;
  •  механические повреждения – возникают в результате резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действием тока, проходящего через тело человека; в результате могут произойти разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервных тканей, а также вывихи суставов и даже переломы костей.

Электрические удары (возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольными судорожными сокращениями мышц) в зависимости от исхода воздействия тока на организм бывают четырех степеней:

  •  Ι степень – судорожное сокращение мышц без потери сознания;
  •  ΙΙ степень -  судорожное сокращение мышц, потеря сознания, но сохранение дыхания и работы сердца;
  •   ΙΙΙ степень – потеря сознания и нарушение сердечной деятельности и/или дыхания;
  •  ΙV степень – клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.


Действие электрического тока на организм человека

Виды электротравм

Клинические проявления

Местные электро-травмы

Электрический ожог (60–65%) от всех электротравм

Токовый ожог (контактный)

Ожоги I и II степени кожи в месте контакта тела с токоведущей частью. Возникают на электроустановках напряжением не выше 1–2кВ.

Дуговой ожог

Ожоги кожи III и IV степени, могут быть обширными с выгоранием ткани на большую глубину. Возникают в сетях напряжением свыше 1–2 кВ.

Электрические знаки; знаки тока; электрические метки (19–21% от всех электротравм)

Появление пятен серого или желто-серого цвета на коже в месте прикосновения к токоведущим частям (иногда вид царапин, порезов, бородавок, мозолей)

Металлизация кожи (10 % от всех пострадавших)

Проникновение металлических включений в кожу в местах контакта с электрической дугой, сопровождающееся болью из-за ожога и напряжением кожного покрова

Электроофтальмия (1–2 % от всех пострадавших)

Воспаление слизистых оболочек глаз, вызываемое ультрафиолетовым излучением при возникновении электрической дуги; проявляется через 2–6 ч. Сопровождается слезоточением, светобоязнью, частичным ослеплением

Механические повреждения (редко)

Разрывы кожи, сосудов, нервных волокон, вывихи вследствие судорожных сокращений мышц под действием электрического тока

Электри-ческий удар

I степень

Судорожное сокращение мышц без потери сознания

II cтепень

Судорожное сокращение мышц и потеря сознания. Сохранение дыхания и работа сердца

III степень

Потеря сознания, нарушена деятельность сердца либо дыхание

IV степень

Клиническая (мнимая) смерть;

отсутствие дыхания и работы сердца; зрачки расширены, не реагируют на свет

Прекращение работы сердца (прямое действие тока на мышцу сердца), фибрилляция мышцы сердца (совпадение действия тока с Т-фазой работы сердца). Прекращение дыхания, паралич (прямое или рефлекторное действие тока на мышцы грудной клетки). Электрический шок (тяжелая нервно-рефлекторная реакция, сопровождающаяся расстройством кровообращения, дыхания, обмена веществ); длится от нескольких десятков минут до суток


4. СИТУАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ПОРАЖЕНИЯ ТОКОМ

Наиболее характерны два случая замыкания цепи тока через тело человека: когда человек касается одновременно двух проводов и когда он касается одного провода. Применительно к сетям переменного тока первую схему обычно называют двухфазным прикосновением (рис. 1), а вторую – однофазным (рис. 2,3).

  1.  Типы электрических сетей

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), электро-установки в отношении мер электробезопасности разделяются:

  1.  на электроустановки выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на землю);
  2.  электроустановки выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);
  3.  электроустановки до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью;
  4.  электроустановки до 1 кВ с изолированной нейтралью.

Рис. 1. Схема прохождения тока через тело человека при двухфазном прикосновении:

а – общая схема; б – векторная диаграмма напряжений фаз относительно Земли

Ток, проходящий через тело человека, при двухфазном прикосновении не зависит от режима нейтрали

,    

где  Uл – линейное напряжение;

rh – сопротивление тела человека;

 Uф – фазное напряжение.

Двухфазное прикосновение считается наиболее опасным, поскольку человек оказывается под линейным напряжением, которое в  раз больше фазного. Например, если линейное напряжение Uл составляет 380 В, а сопротивление тела человека rh принять равным 1000 Ом, ток, протекающий через тело человека, составит

.

Это значение в несколько раз превышает величину фибрилляционного тока.

Однофазное прикосновение в сетях с заземленной нейтралью

Рис. 2. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении в сети с заземленной нейтралью

Ток, проходящий через тело человека,

,    

где    Rн – сопротивление заземления нейтрали, Rн ≤ 4 Ом;

rп, rоб , rод  – сопротивление пола, обуви, одежды.

Однофазное прикосновение в сетях с изолированной нейтралью

В сетях с изолированной нейтралью условия электробезопасности определяются сопротивлениями изоляции и емкостью относительно земли.

Ток, проходящий через тело человека

.

Если емкость проводов относительно земли мала, т.е. Сф→0, что обычно бывает в воздушных сетях небольшой протяженности, то ток через тело человека определится выражением

,      

где Rф – сопротивление изоляции фазы.

Рис. 3. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении
в сети с изолированной нейтралью

Если же емкость велика, а проводимость изоляции незначительна, т.е. Rф→∞, что обычно бывает в кабельных сетях, то сила тока через тело человека составляет

    

где Хс – емкостное сопротивление, Хс = 1/ ωС, Ом

Здесь ω – угловая частота, рад/с.

Таким образом, при поддержании параметров сети Rф и Сф на соответствующем нормам уровне можно добиться обеспечения электробезопасных условий эксплуатации сети. Поэтому при эксплуатации электрических сетей, работающих в режиме изолированной нейтрали, особое значение имеет контроль изоляции: по требованию безопасности Rиз ≥ 0,5 Мом.

Приведенные формулы справедливы для работы установок в нормальном режиме (т.е. при сохранении нормативных значений сопротивления изоляции).

Схема прохождения тока через тело человека в аварийном режиме (при неисправности изоляции фаз) приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема прохождения тока через тело человека при однофазном прикосновении в сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю одной из фаз (аварийный режим)

Ток, проходящий через тело человека в аварийном режиме, определяется выражением

.    

В аварийных ситуациях (при неисправности изоляции фаз) человек попадает под действие линейного напряжения.

Аварийные режимы возникают при повреждении изоляции и пробое фазы на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением и по другим причинам. Потенциал токоведущей части падает в таком случае до потенциала

3 = J3r3;

где J3 – ток замыкания;

r3 – сопротивление цепи в точке замыкания.

Растекание тока замыкания в грунте определяет характер распределения потенциала на поверхности Земли. Можно показать, что потенциал на поверхности грунта распределяется по закону гиперболы. Схема растекания тока в грунте представлена на рис. 5.

Рис. 5. Распределение потенциала по поверхности Земли при стекании тока
на землю

  1.  Напряжение прикосновения и шаговое напряжение

Напряжение прикосновения (см. рис. 6) – это напряжение между двумя точками цепи замыкания на землю (корпус) при одновременном прикосновении к ним человека. Численно оно равно разности потенциалов корпуса  и точек грунта, в которых находятся ноги человека,

;

;  ;  ,

где  – удельное сопротивление грунта;

r  – радиус условного полусферического заземлителя;

– коэффициент напряжения прикосновения. В пределах зоны растека-ния тока  меньше единицы, а за пределами этой зоны равен единице. Напряжение прикосновения увеличивается по мере удаления от заземлителя, и за пределами зоны растекания тока оно равно напряжению на корпусе оборудования.

Ток, протекающий через тело человека при прикосновении,

.

Напряжение шага (рис. 6) – разность потенциалов, обусловленная растеканием тока замыкания на землю, между точками цепи тока, находящихся на расстоянии шага а, которых одновременно касается ногами человек.

Рис. 6. Схема возникновения напряжения прикосновения и шагового напряжения

; ; ;  ,

где ш – коэффициент шагового напряжения.

Напряжение шага зависит от потенциала замыкания и удельного сопротивления грунта, а также расстояния от заземлителя и ширины шага.

Напряжение шага максимально у заземлителя и уменьшается по мере удаления от заземлителя; вне поля растекания оно равно нулю.

Ток, обусловленный напряжением шага,

.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕЩЕНИЙ ПО ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Согласно «Правилам устройства электроустановок» ПУЭ [6] помещения подразделяются:

1) на сухие, в которых относительная влажность воздуха ψ не более 60 %, которые при отсутствии в них условий 5), 6) и 7) называются нормальными;

2) влажные, где 60 % < ψ < 75 % ;

3) сырые, где ψ > 75 % ;

4) особо сырые, где ψ = 100 % (стены, потолок, пол покрыты влагой);

5) жаркие, температура которых постоянно или периодически (более 1 суток) превышает + 35 0 С ;

6) пыльные, в которых выделяется технологическая пыль; она может оседать на токоведущих частях, проникать внутрь машин, аппаратов и т.п.;

7) с химически активной или органической средой (агрессивные пары, газы, жидкости, отложения, плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части электрооборудования).

В отношении опасности поражения людей электрическим током различаются:

  •  помещения без повышенной опасности, в которых отсутствуют условия, создающие опасность (пп. 3 –7);
    •  помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием одного из следующих условий, создающих повышенную опасность:
  •  сырость (ψ > 75 %);
  •  токопроводящая пыль;
  •  токопроводящие полы (металл, бетон, земля, кирпич);
  •  высокая температура (более + 35 0С); 
  •  возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т.п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования – с другой;
    •  особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий, создающих особую опасность:
  •  особая сырость (ψ = 100 %);
  •  химически активная или органическая среда;
  •  одновременно два и более условий (факторов) помещений с повышенной опасностью.

Территория открытых электроустановок относится к категории особо опасных.

6. ПРИЧИНЫ ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА

  

Частота смертельного травматизма в России многие годы находится на уровне 31,4·10-6, что в 30 раз выше, чем в семи странах «Большой восьмерки» [3]. Столь негативные показатели обусловлены несколькими основными причинами: неисправностью, неправильным устройством или неправильной эксплуатацией электрических сетей и электроустановок; допуском к работе на электроустановках необученного персонала, без проведения своевременного инструктажа по безопасным методам и приемам работы.

Основные причины несчастных случаев от воздействия электрического тока:

  1.  случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под наблюдением;
  2.  появление напряжения на металлических частях конструкции электрооборудования из-за повреждения изоляции или других причин;
  3.  появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, из-за ошибочного включения электроустановок;
  4.  возникновение напряжения шага на поверхности земли вследствие замыкания провода на землю.

7. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

 

Электробезопасность в соответствии с ГОСТ 12.1.019–79 [7] должна обеспечиваться следующими мероприятиями:

  1.  безопасной конструкцией электроустановок;
  2.  техническими способами и средствами защиты;
  3.  организационными и техническими мероприятиями.

Обеспечение электробезопасности техническими способами и средствами включает защиту:

  1.  от случайного прикосновения к токоведущим частям;
  2.  поражения электрическим током при прикосновении к нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате  повреждения изоляции.

Для обеспечения защиты от случайного прикосновения к токоведущим частям применяют следующие способы и средства:

  1.  защитные оболочки;
  2.  защитные ограждения (временные или стационарные);
  3.  безопасное расположение токоведущих частей;
  4.  изоляцию токоведущих частей (рабочая, дополнительная, усиленная, двойная);
  5.  изоляцию рабочего места;
  6.  малое напряжение;
  7.  защитное отключение;
  8.  предупредительную сигнализацию, блокировку, знаки безопасности.

Для защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением, применяют следующие способы:

  1.  защитное заземление;
  2.  зануление;
  3.  выравнивание потенциала;
  4.  систему защитных проводов;
  5.  защитное отключение;
  6.  изоляцию нетоковедущих частей;
  7.  электрическое разделение сети;
  8.  малое напряжение;
  9.  контроль изоляции;
  10.  компенсацию токов замыкания на землю;
  11.  средства индивидуальной защиты.

Ниже приведена характеристика некоторых методов.

7.1. Применение малого напряжения

Сверхнизкое (малое) напряжение (СНН) – напряжение, не превышающее 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

Для уменьшения опасности поражения электрическим током применяют номинальное напряжение  не более 42 В, например, для питания ручных переносных ламп и светильников местного освещения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также для питания электрифицированных ручных машин в особо опасных помещениях. При особо неблагоприятных условиях (сырые участки траншей, шахты, колодцы, т.п.) для питания ручных переносных ламп следует применять напряжение 12 В.

7.2. Электрическая изоляция токоведущих частей

Изоляцию подразделяют:

  •  на рабочую (обеспечивает нормальную работу электроустановки и защиту от поражения электрическим током);
  •  дополнительную (дополнительная к рабочей на случай повреждения рабочей изоляции);
  •  усиленную (улучшенная рабочая);
  •  двойную (состоящая из рабочей и дополнительной изоляции, например электрическая дрель с пластмассовым корпусом).

7.3. Оградительные устройства

Оградительные устройства предотвращают прикосновение или приближение на опасные расстояния к токоведущим частям в случае, когда провода или токоведущие части электрооборудования не могут иметь изоляции. Части электроустановки с разными потенциалами, доступные одновременному прикосновению, не должны находиться внутри зоны досягаемости, т.е. на расстоянии
2,5 м друг от друга. Если ограждения изготавливают из диэлектриков, то их размещают на определенном расстоянии от неизолированных токоведущих частей, значение которого зависит от напряжения. Например, наименьшее расстояние для установок напряжением 1000 В составляет 50 мм, 6000 В – 120 мм, 10 000 В – 150 мм.

7.4. Выравнивание потенциалов

Это метод снижения напряжений прикосновения и шага между точками электрической цепи, к которым можно одновременно прикасаться или на которых может одновременно стоять человек. Для этого устраивают контурное заземление, т.е. располагают заземлители по контуру вокруг заземленного оборудования.

7.6. Защитное заземление

Защитное заземление – это преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением (рис. 7).

Рис. 7. Принципиальная схема защитного заземления

Защитное действие заземления основано на снижении напряжения прикосновения при попадании напряжения на нетоковедущие части (например, вследствие замыкания на корпус). Это достигается уменьшением разности потенциалов между корпусом электроустановки и землей за счет малого сопротивления заземления и повышения потенциала примыкающей к оборудованию поверхности земли. Чем меньше сопротивление заземления, тем выше защитный эффект.

Значение сопротивления защитного заземления определяется из условия обеспечения на корпусе электроустановки допустимого напряжения прикосновения.

Защитное заземление применяется в трехфазной трехпроводной сети напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью и выше 1000 В с любым режимом нейтрали.

В четырехпроводных трехфазных сетях с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В в качестве защитной меры в стационарных установках применяется зануление (см. рис. 8).

7.7. Зануление

Занулениеэто преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Рис. 8. Принципиальная схема зануления электроустановки:

Н – нулевой провод; R0 – сопротивление заземления нейтрали; Rп – повторное заземление нулевого провода

Защитное действие зануления состоит в следующем. При пробое изоляции на корпус образуется цепь с очень малым сопротивлением: фаза – корпус – нулевой провод – фаза. Следовательно, пробой на корпус при наличии зануления превращается в однофазное короткое замыкание (КЗ). Возникающий в цепи ток резко возрастает, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита, эффективно отключающая поврежденный участок сети.

Для схемы зануления необходимо наличие в сети нулевого провода, заземления нейтрали источника и повторного заземления нулевого провода.

Назначение нулевого провода – создание для тока КЗ цепи с малым сопротивлением, чтобы этот ток был достаточным для срабатывания защиты, т.е. быстрого отключения поврежденной установки от сети.

Назначение повторного заземления нулевого провода, которое для воздушных сетей осуществляется через каждые 250 м, состоит в уменьшении потенциала зануленных корпусов при обрыве нулевого провода и замыкания фазы на корпус за местом обрыва. Поскольку повторное заземление значительно уменьшает опасность поражения током, но не устраняет ее полностью, постольку необходима тщательная прокладка нулевого провода, чтобы исключить обрыв. Нельзя ставить в нулевом проводе предохранители, рубильники и другие приборы, нарушающие целостность нулевого провода.

Назначение заземления нейтрали – снижение до минимального значения напряжения относительно земли нулевого провода и всех присоединенных к нему корпусов при случайном замыкании фазы на землю.

7.8. Защитное отключение

Защитное отключение – это быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении опасности поражения током. Такая опасность может возникнуть, в частности, при замыкании фазы на корпус электрооборудования, при снижении сопротивления изоляции фаз относительно земли ниже определенного предела, при появлении в сети более высокого напряжения, при прикосновении человека к токоведущей части, находящейся под напряжением.

При прикосновении человека к открытым токоведущим частям или корпусу электроустановки по фазному проводнику через УЗО (устройство защитного отключения) кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток утечки I2. Когда этот ток превышает установленное значение, тогда срабатывает пусковой орган, приводящий в действие исполнительный механизм, который размыкает электрическую сеть: установка обесточивается за 0,1–0,2 с.

Любой из этих параметров, а точнее, изменение его до определенного предела, при котором возникает опасность поражения человека током, может служить импульсом, вызывающим срабатывание защитного отключающего устройства, т.е. автоматическое отключение опасного участка цепи.

Защитное отключение может применяться в качестве единственной меры защиты в передвижных электроустановках напряжением до 1000 В либо в сочетании с защитным заземлением или занулением.

В качестве примера защитного отключения рассмотрим устройство защитного отключения (УЗО) (рис. 9), назначение которого – быстрое отключение от сети установки, если напряжение ее корпуса относительно земли окажется выше некоторого предельно допустимого значения uкдоп, вследствие чего прикосновение к корпусу становится опасным.

При замыкании фазного провода на заземленный корпус электроустановки сначала проявится защитное свойство заземления, в результате чего напряжение корпуса будет ограничено некоторым значением uк. Затем, если значение uк окажется выше заранее установленного предельно допустимого напряжения uкдоп, равного 20 В, срабатывает защитно-отключающее устройство. При этом реле максимального напряжения, замкнув контакты, подает питание на отключающую катушку, которая вызовет отключение выключателя, что приводит к отключению электроустановки от сети. Применение этого типа УЗО ограничивается электроустановками до 1000 В с индивидуальным заземлением.

Рис. 9. Принципиальная схема защитного отключения электроустановки при появлении напряжения на ее корпусе:

1 – корпус; 2 – автоматический выключатель; КО – катушка отключения;
Н – реле напряжения максимальное; Rз – сопротивление защитного заземления;
Rв – сопротивление вспомогательного заземления

7.8. Разделение электрической сети

Разделение электрической сети (согласно ГОСТ 12.1.009–76) – это разделение электрической сети на отдельные электрически не связанные между собой участки с помощью разделительного трансформатора.

В сетях с изолированной нейтралью ток, проходящий через человека Ih, при однофазном прикосновении зависит от сопротивления изоляции Rф и емкости сети Сф относительно земли. Когда значения Rф и Сф таковы, что ток Ih превышает длительно допустимый, целесообразно разделение сети с помощью разделительных трансформаторов с коэффициентом трансформации 1:1 на несколько более коротких сетей, сопротивления изоляции которых будут выше, а емкость относительно земли меньше по сравнению с сетью в целом (рис. 10).

Рис. 10. Электрическая распределительная сеть:

а – до разделения; б – после разделения: Н – нагрузка

7.7. Электрозащитные средства

При выполнении работы без снятия напряжения вблизи от токоведущих частей и на токоведущих частях, находящихся под напряжением, персонал должен использовать электрозащитные средства. Они служат для изоляции человека от токоведущих частей электрооборудования, находящихся под напряжением, а также для изоляции человека от земли (при прикосновении человека, стоящего на земле, к токоведущим частям электроустановок или к металлическим корпусам электрооборудования с поврежденной изоляцией).

Электрозащитные средства подразделяются на основные и дополнительные.

Основные электрозащитные средства – это средства защиты, изоляция которых длительно выдерживает рабочее напряжение электроустановок и которые позволяют прикасаться к токоведущим частям, находящимся под напряжением.

Дополнительные электрозащитные средства – это средства защиты, дополняющие основные средства, а также служащие для защиты от напряжения прикосновения и напряжения шага, которые сами по себе не могут при данном напряжении обеспечить защиту от поражения током, а применяются совместно с основными электрозащитными средствами.

К основным электрозащитным средствам в электроустановках с напряжением до 1000 В относятся:

  1.  диэлектрические перчатки;
  2.  слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками;
  3.  указатели напряжения.

К дополнительным средствам в электроустановках напряжением до 1000 В относятся:

  •  диэлектрические галоши;
    •  диэлектрические коврики;
    •  изолирующие подставки.

К основным электрозащитным средствам в электроустановках напряжением выше 1000 В относятся:

  1.  изолирующие и измерительные штанги;
  2.  изолирующие и электроизмерительные клещи;
  3.  указатели напряжения.

К дополнительным средствам в электроустановках напряжением выше
1000 В относятся:

  •  диэлектрические перчатки и боты;
  •  изолирующие лестницы.

Электрозащитные средства, применяемые в электроустановках, приведены на рис. 11.


Рис. 11. Электрозащитные средства, применяемые в электроустановках

а – изолирующие штанги; б – изолирующие клещи; в– диэлектрические перчатки; г – диэлектрические боты; д – диэлектрические галоши; е – резиновые коврики и дорожки, лакоткань (используется в качестве гибкого электроизоляционного материала в электрических машинах и аппаратах); ж – изолирующая подставка; з – монтерский инструмент с изолированными ручками; и – токоизмерительные клещи


Электрозащитные средства испытывают повышенным напряжением при приемке в эксплуатацию, а затем периодически:

  1.  диэлектрические перчатки – один раз в 6 мес.;
  2.  диэлектрические галоши, указатели напряжения и инструмент с изолированными рукоятками – один раз в 12 мес.;
  3.  измерительные штанги – один раз в 12 мес.;
  4.  изолирующие штанги и клещи – один раз в 24 мес.;
  5.  диэлектрические боты – один раз в 36 мес.

Сроки и нормы испытаний (испытательное напряжение, продолжительность испытаний и ток утечки) принимают в соответствии с ПТЭ. Обычно продолжительность испытаний не превышает 1 мин. Испытательное напряжение, как правило, принимают равным трехкратному линейному напряжению электроустановки.

Изолирующую часть штанг и клещей испытывают повышенным напряжением. Их считают выдержавшими испытание, если в течение всего периода испытаний не возникали разряды на поверхности, не были отмечены колебания показаний приборов и после снятия испытательного напряжения изолирующая часть не имела местных нагревов.

Диэлектрические резиновые перчатки, боты, галоши, сапоги и слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками испытывают на ток утечки в ванне с водопроводной водой. Ток утечки для различных изделий не должен превышать 7,5 мА при повышенном напряжении. Если не произошел пробой и показания миллиамперметра не превышали норму, то изделие считается выдержавшим испытание. Рукоятки указателей напряжения проверяют на электрическую прочность изоляции напряжением 1000 В в течение 1 мин, а также определяют порог зажигания неоновой лампы, который не должен превышать 90 В. Ток при испытаниях не должен превышать 4 мА.

 


Контрольные вопросы

  1.  Что такое электрический ток как физическое явление?
  2.  Назовите параметры, характеризующие электрический ток.
  3.  Укажите пороговые значения силы электрического тока.
  4.  Что такое фибрилляция сердца?
  5.  Как зависит исход поражения током от периодов цикла сердечной деятельности? Какая фаза кардиоцикла наиболее уязвима?
  6.  Как влияет продолжительность прохождения электрического тока на исход поражения током?
  7.  Чему равны допустимые значения силы переменного электрического тока (f  = 50 Гц) в зависимости от продолжительности его действия?
  8.  Как влияет частота переменного электрического тока на исход поражения,  какова формула опасности поражения?
  9.  Каково влияние рода тока на поражение человека?
  10.  От чего зависит электрическое сопротивление тела человека. Значение удельного объемного сопротивления различных тканей человека при прохождении электрического тока через тело человека?
  11.  Из каких слоев состоит кожный покров и каково их сопротивление?
  12.  Назовите виды и характеристики наиболее распространенных путей прохождения электрического тока через тело человека.
  13.  Перечислите виды воздействия электрического тока при прохождении через тело человека.
  14.  В чем выражается термическое действие электрического тока на человека?
  15.  В чем заключается химическое действие электрического тока на человека?
  16.  Дайте характеристику биологического и механического действия электрического тока на человека.
  17.  Назовите виды и дайте характеристику электротравм.
  18.  Какие существуют степени электрических ударов?
  19.  Какой орган человека является наиболее уязвимым при действии электрического тока, почему?
  20.  Дайте характеристику помещений согласно ПУЭ в зависимости от состояния среды: сухие, влажные, сырые, особо сырые, пыльные, с химически активной средой.
  21.  Назовите категории помещений в отношении опасности поражения людей электрическим током согласно ПУЭ.
  22.  Перечислите факторы, определяющие категорию помещения повышенной опасности.
  23.  Какие факторы определяют категорию помещения особой опасности?
  24.  Какие помещения относятся к категории без повышенной опасности?
  25.  К какой категории относятся территории открытых электроустановок?
  26.  Назовите основные причины электротравматизма.
  27.  Какова частота смертельного травматизма в электроустановках?
  28.  Перечислите основные причины несчастных случаев от воздействия электрического тока.
  29.  Какими методами должна обеспечиваться безопасность в соответствии с ГОСТ 12.1.019–79?
  30.  Перечислите способы и средства защиты от поражения электрическим током при случайном прикосновении человека к токоведущим частям.
  31.  Какие существуют способы защиты от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением?
  32.  Что такое малое напряжение?
  33.  Охарактеризуйте методы обеспечения электробезопасности, оградительные устройства, выравнивание потенциала.
  34.  В чем заключается метод электробезопасности «электрическое разделение сетей»?
  35.  Охарактеризуйте метод обеспечения электробезопасности «защитное отключение».
  36.  Какие электрозащитные средства применяются при напряжении до 1 кВ?
  37.  Какова периодичность испытания электрозащитных средств?
  38.  Охарактеризуйте метод электробезопасности «электрическая изоляция токоведущих частей».
  39.  Для чего служат электрозащитные средства?
  40.  Как подразделяются электрозащитные средства, их назначение?
  41.  Какие электрозащитные средства применяются при напряжении свыше 1000 В?


ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Цель работы ознакомиться с назначением и нормированием защитного заземления; измерить его сопротивления методом амперметра и вольтметра.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При обслуживании производственного оборудования, использующего электрическую энергию, работающие прикасаются к нетоковедущим металлическим частям оборудования (например, работа на металлорежущем станке, приводом которого служит электродвигатель).

В процессе эксплуатации электрооборудования происходит нарушение целостности изоляции проводов и обмоток машин. Чаще всего это происходит там, где электроустановки работают в неблагоприятных условиях: в сырых помещениях, при повышенной температуре, в атмосфере паров агрессивных веществ и т.д.

Повреждение изоляции у электрооборудования неизбежно влечет за собой появление напряжения на металлических частях оборудования, и в результате этого работающий человек оказывается под воздействием электрического тока, что может привести к несчастному случаю.

Одним из методов защиты в этих случаях является применение защитного заземления (рис. 1).

Рис. 1. Защитное заземление:

а – заземлитель; б соединительная шина; в – заземляемое оборудование

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических частей оборудования, не находящихся под напряжением в нормальных условиях эксплуатации, но которые могут оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции электроустановки.

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на нетоковедущих металлических частях оборудования.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжения прикосновения, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциала за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования. Это выравнивание происходит вследствие стекания тока в землю (IЗ) через проводник, находящийся в непосредственном контакте с землей и имеющий определенную величину сопротивления (RЗ) этому току. В таком случае этом потенциал заземленного оборудования φ3 становится равным

;     ,

где UФ – фазное напряжение;

RФ – сопротивление изоляции фазного провода.

Если значение сопротивления защитного заземления RЗ будет значительно меньше значения сопротивления фазы RФ, то при нарушении изоляции одной из фаз и протекании тока через заземлитель на оборудовании возникнет потенциал, меньший UФ, а именно (при равенстве сопротивлений изоляции сопротивление одной фазы равно RФ/3):

,

ток, проходящий через тело человека будет весьма малым

 .

Таким образом, при устройстве защитного заземления необходимо обеспечить достаточно малое значение RЗ .

Наряду с положительным явлением (резкое снижение потенциала на заземленном оборудовании) возникает и отрицательное – появление на поверхности грунта вокруг места стекания тока потенциала, который может представлять опасность для жизни человека в виде напряжения шага (Uш).

Потенциал на поверхности земли вокруг заземлителя изменяется по закону гиперболы, уменьшаясь от своего максимального значения до нуля по мере удаления от заземлителя. В реальных условиях на расстоянии 20 м от заземлителя потенциал практически  равен нулю  при сухом грунте (см. рис. 5).

В качестве заземлителей в первую очередь используются естественные заземлители (металлические конструкции зданий, трубопроводы, металлические оболочки кабелей и т.п.).

При недостаточности или отсутствии естественных заземлителей устраивается искусственное заземление, для чего в грунт забиваются или укладываются стальные уголки или стержни, полосовая сталь и т.п. и соединяются с заземляемым оборудованием шинами, чаще всего из полосовой стали.

Совокупность заземлителя и шин, соединяющих заземленные части электроустановки с заземлителем, называется заземляющим устройством.

Сопротивление заземляющего устройства растеканию тока (отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю) состоит из сопротивления заземлителя и заземляющих проводников и  зависит от конфигурации заземлителя, расположения его в земле, удельного сопротивления грунта. Сопротивление последнего определяется характером грунта (супесчаная почва, глина и т.д.) и коэффициентом сезонности, учитывающим климатические особенности местности, где устраивается заземление.

Для уменьшения влияния значения коэффициента сезонности, а также для повышения эксплуатации заземляющих устройств заземлители в стационарных установках всегда располагают в грунте на глубине не менее 0,5 м.

На практике в связи с тем, что одиночные заземлители не обеспечивают необходимого значения сопротивления растеканию тока, в качестве заземлителей используют металлический контур, составленный из этих одиночных заземителей. Чаше всего контуры делают из трубчатых стержней, забиваемых в землю. Верхние концы стержней между собой приваривают к железной шине или круглому железному прутку. К контуру присоединяют стальную или медную шину и вводят её в помещение, где надежно соединяются с оборудованием. При этом последовательное включение заземляемого оборудования не допускается.

2.  ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ. НОРМИРОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

 

Защитное заземление электроустановок следует выполнять при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока.

Защитное заземление применяется в электроустановках при номинальном напряжении 42–380 В переменного тока и 110–440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013–78. Во взрывоопасных помещениях все электроустановки независимо от величины напряжения должны быть заземлены. Допустимые значения сопротивления защитных заземлений регламентируются ГОСТ 12.1.030–81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление» [8] и «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) [6].

Для электроустановок напряжением до 1000 В в сети с заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 2, 4 и 8 Ом при линейных напряжениях соответственно 660, 380 и 220 В трехфазного источника питания или 380, 220 и 127 В однофазного источника питания.

Для установок напряжением выше 1000 В в сети с заземленной нейтралью заземляющее устройство должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом.

В электроустановках напряжением до 1000 В сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в стационарных сетях не должно быть более 4 Ом, а при мощности трансформаторов, генераторов не более 100 кВ·А допускается до 10 Ом.

В электроустановках напряжением выше 1000 В в сети с изолированной нейтралью должно быть выполнено защитное заземление.

В электроустановках напряжением выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года должно быть

Ом,  но не более 10 Ом,

где I – расчетный ток замыкания на землю, А.

В качестве расчетного тока замыкания на землю I может быть принят трехкратный номинальный ток предохранителей или полуторакратный ток срабатывания релейной защиты (принять I = 50 А).

Принципиальные схемы защитного заземления приведены на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема защитного заземления:

а – в сети с напряжением до 1 кВ и выше с изолированной нейтралью;

б – в сети с напряжением выше 1 кВ с заземленной нейтралью:

1 – заземленное оборудование; Rиз – сопротивление изоляции фаз;

R3 – сопротивление защитного заземления; R0 – сопротивление нейтрали сети; I3 – ток короткого замыкания на землю


3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Сопротивление заземляющего устройства измеряется после его монтажа, капитального ремонта и при эксплуатации на промышленных предприятиях не реже одного раза в 3 года.

При измерении сопротивления заземляющего устройства (Rисп) (см. рис. 3) необходимо иметь два дополнительных заземления: вспомогательный заземлитель (Rвсп) и зонд (Rзонд).

Вспомогательный заземлитель предназначен для создания цепи тока от источника напряжения через испытуемый заземлитель, который измеряется амперметром. Зонд предназначен для включения вольтметра, измеряющего падение напряжения на испытуемом заземлителе.

Расстояние между испытуемым заземлителем, зондом и вспомогательным заземлителем должно быть не менее 20 м, чтобы кривая распределения потенциала в зоне растекания тока между испытуемым и дополнительным заземлителем имела явно выраженный горизонтальный участок с нулевым потенциалом.

Значение  Rвсп рекомендуется выбирать не выше десятикратной величины нормативного значения сопротивления заземляющего устройства.

Определение сопротивления заземляющего устройства заключается в измерении падения напряжения на испытуемом заземлителе и силы тока, протекающего через него (рис. 3).

В этом случае

 ,     (1)

где U3 – полное падение напряжения на испытуемом заземлителе относительно нулевого потенциала, В;

I3   – величина тока, проходящего через испытуемый заземлитель, А.

Если сопротивление обмотки вольтметра окажется соизмеримым с сопротивлением Rисп, то из-за шунтирования это может привести к значительной погрешности в результате измерений. Погрешности можно избежать, если сопротивление обмотки будет значительно (в 100–1000 раз) больше, чем сопротивления Rисп. Если данное требование не выполняется, то падение напряжения на испытуемом заземлителе вычисляется по формуле

,     (2)

где UB – напряжение, показываемое вольтметром, В;

Rзонд – сопротивление зонда, Ом;

RВ – внутреннее сопротивление вольтметра, Ом.

Рис. 3. Схема измерения сопротивления заземления:

1 – испытуемый заземлитель; 2 – зонд; 3 – вспомогательный заземлитель;

3 – автотрансформатор; 4 – вольтметр; 5 – амперметр; В1 – выключатель

Рис. 4 Общий вид стенда для определения сопротивления защитного заземления:

1 – испытуемый заземлитель; 2 – зонд; 3 – вспомогательный заземлитель; 3 – автотрансформатор; 4 – вольтметр; 5 – амперметр;

В1 – выключатель

Источником питания измерительной схемы служит автотрансформатор, включаемый тумблером В1 в сеть с напряжением 220 В. Для уменьшения ошибки измерения определение величины Rисп проводят при нескольких значениях напряжения источника. Напряжение питания изменяется с помощью потенциометра, расположенного на стенде (рис. 4).

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Включить стенд в сеть 220 В и включить тумблер В1 (сеть).
  2.  Выбрать на стенде грунт, заданный преподавателем (1–4).
  3.  Ручкой потенциометра (R1, на рис. 4) подать напряжение от источников питания на Rисп и снять показания амперметра и вольтметра. Измерения желательно отмечать из правой части шкалы приборов, где отмечаются наименьшие погрешности.
  4.  Данные занести в таблицу результатов измерений.
  5.  Рассчитать U3 по формуле (2).
  6.  По формуле (1) определить значение Rисп.
  7.  Определить среднее значение величины Rисп.
  8.  Определить, сравнив с нормативами, в каких электроустановках можно использовать защитное заземление с полученным значением сопротивления, и сформулировать выводы по работе.

Таблица

Результаты измерений


п/п

Показания

Rзонд, Ом

Rв, Ом

Uз, В

RИСП, Ом

Амперметр, А

Вольтметр, В

1

2

3

Среднее


Контрольные вопросы

  1.  Что такое защитное заземление?
  2.  Для чего применяется защитное заземление?
  3.  Укажите область применения защитного заземления.
  4.  Каково назначение на измерительной схеме вспомогательного заземлителя и зонда?
  5.  Назовите допустимые величины сопротивления защитного заземления электроустановок в сетях с заземленной и изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, свыше 1000 В.


проверка эффективности зануления

Цель работы: проверить на практике надежность отключения поврежденного участка электрической цепи предохранителями с плавкими вставками и автоматическими выключателями при однофазных замыканиях в установках с напряжением до 1000 В, работающих в сетях с заземленной нейтралью.

  1.  ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для обеспечения электробезопасности посредством надежного отключения аварийного участка цепи в цепях с заземленной нейтралью напряжением до 1000 В применяют зануление, т.е. соединение корпусов электроустановок с заземленной нейтралью трансформатора или генератора (рис. 1).

Рис.1. Схема зануления:

R0 – сопротивление заземления нейтрали трансформатора;

Rп – сопротивление повторного заземления нейтрали;

Iк.з. – ток короткого замыкания;

О – нулевой провод (нулевой защитный проводник);

------ – путь тока короткого замыкания (КЗ)

Принцип действия зануления – превращение замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание (т.е. между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большую величину тока короткого замыкания, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым  отключить поврежденную элктроустановку от питающей сети. Такой защитой являются: плавкие предохранители или автоматические выключатели (рис. 2).

Рис. 2. Плавкие предохранители, вставки (а) и автоматические выключатели (б)

Плавкий предохранитель – это электротехническая конструкция, которая обычно изготавливается из стекла или фарфора. Наружу выведены контакты, внутри же находится легкосплавный металлический проводник – плавкие вставки. Плавкий предохранитель рассчитан на определенную силу тока. Исходя из этого плавкие вставки имеют конкретное сечение. Когда сила тока превышает определенную отметку, тогда плавкие вставки нагреваются и меняют свою структуру. Они плавятся, вследствие чего электрическая сеть разрывается. Таким образом, плавкий предохранитель защищает сеть от перегрузок, а значит, и приборы от перегорания.

Внутри корпуса предохранителей рассчитанных на защиту при небольших токах чаще всего не используют наполнителя. В предохранителях же на большие токи и напряжения обязательно используется наполнитель, в основном мелкий кварцевый песок, который предотвращает при срабатывании предохранителя его физическое разрушение, ведь при разрушении плавкой вставки, особенно при токах КЗ выделяется много энергии за короткий промежуток времени. Плавкие вставки следует выбирать с таким расчетом, чтобы вставка плавилась раньше, чем температура превысит допустимое значение для проводки, во избежание возгорания. Плавкие вставки срабатывают практически мгновенно, защищая сети и нагрузку от выхода из строя, разрушения и воспламенения – это их основное достоинство. К недостаткам таких предохранителей можно отнести необходимость замены в том случае, если он сработал. Автомат защиты тогда достаточно просто взвести (включить).

Автоматические выключатели предназначены для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки электрических линий и приемников энергии, для включений и отключений линий и приемников энергии.

Автоматический выключатель состоит из следующих частей (см. рис. 3):

  •  контактной системы – предназначена непосредственно для коммутации электрических цепей.
  •  Механизма свободного расцепления – позволяет производить переключения автоматически или вручную.
  •  Расцепителей (электромагнитный и тепловой) – обеспечивают отключение автоматического выключателя при перегрузках и коротких замыканиях (тепловой и электромагнитный соответственно).
  •  дугогасительной камеры – способствует гашению электрической дуги.

Работа теплового расцепителя основана на тепловом действии тока: при прохождении тока превышающего номинальный, биметаллическая пластина нагревается, и за счет разницы коэффициента теплового расширения металлов из которого она состоит, изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления. Электромагнитный расцепитель действует подобно реле с якорем: при протекании тока КЗ якорь, приводимый в движение электромагнитным полем, воздействует на механизм свободного расцепления;

Рис. 3. Внутреннее устройство автоматического выключателя

1 – катушка электромагнитного расцепителя; 2 – дугогасительная камера; 3 – главные контакты;
4 – корпус; 5 – клемма подключения;  6 – биметаллическая пластина теплового расцепителя.

Автоматические выключатели выпускаются в одно-, двух-, трех- и четырехполюсном исполнении

Двухполюсные автоматические выключатели общего применения служат для защиты силовых, осветительных и других электроустановок. Они предназначены для ручного включения и автоматического или ручного отключения электрических потребителей под нагрузкой. Автоматические выключатели двухполюсного исполнения применяются, как правило, в цепях постоянного тока до 63 А. Крепятся такие выключатели на колодке, рейке или панели.

Трехполюсные (трехфазные) автоматические выключатели общего применения служат для защиты силовых, осветительных и других электроустановок, а также электродвигателей от аварийных режимов, коротких замыканий, перегрузок по току и понижения напряжения. Они предназначены для ручного включения и автоматического или ручного отключения электрических потребителей под нагрузкой. Автоматические выключатели трехполюсного исполнения применяются в цепях переменного тока с трехфазной нагрузкой (например, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором). Расцепители могут встраиваться в один, два или три полюса в зависимости от типа исполнения автомата.

Четырехполюсные автоматические выключатели общего применения служат для защиты силовых, осветительных и других электроустановок, а также электродвигателей от аварийных режимов, коротких замыканий и перегрузок по току. Они предназначены для ручного включения и автоматического или ручного отключения электрических потребителей под нагрузкой. Автоматические выключатели четырехполюсного исполнения применяются в цепях переменного тока с трехфазной нагрузкой. Расцепители могут встраиваться в один, два или три полюса в зависимости от типа исполнения автомата.

Принцип действия автоматического выключателя

При перегрузках в защищаемой цепи протекающий ток нагревает биметаллическую пластину. При нагреве пластина изгибается и толкает рычаг, воздействующий на механизм свободного расцепления. Выдержка времени отключения уменьшается с ростом тока. При этом подвижный контакт отходит от неподвижного, автомат выключается, происходит разрыв цепи, тем самым цепь защищается от перегрузок и токов короткого замыкания. При перегрузках и токах короткого замыкания отключение выключателя производится независимо от того, удерживается ли рукоятка управления во включенном положении.

При пробое изоляции на корпус образуется цепь с очень малым сопротивлением: фаза – корпус – нулевой провод – фаза, т.е. петля «фаза – ноль». Возникающий в цепи ток резко возрастает, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита (плавкая вставка предохранителя, автоматический выключатель), эффективно отключающая поврежденный участок сети. Плавкая вставка перегорает примерно через 6 с, автомат отключает сеть через 2 с. В течение этого времени защита персонала от поражения током обеспечивается за счет наличия защитного заземления нейтрали трансформатора. Для схемы зануления необходимо наличие в сети нулевого провода, заземления нейтрали источника и повторного заземления нулевого провода.

Назначение нулевого провода – создание для тока КЗ цепи с малым сопротивлением, чтобы ток был достаточным для срабатывания защиты, т.е. быстрого отключения поврежденной установки от сети.

Назначение повторного заземления нулевого провода, которое для воздушных сетей осуществляется через каждые 250 м, состоит в уменьшении потенциала зануленных корпусов при обрыве нулевого провода и замыкания фазы на корпус за местом обрыва. Поскольку повторное заземление значительно уменьшает опасность поражения током, но не устраняет ее полностью, поскольку необходима тщательная прокладка нулевого провода, чтобы исключить обрыв. Нельзя ставить в нулевом проводе предохранители, рубильники и другие приборы, нарушающие целостность нулевого провода.

Назначение заземления нейтрали – снижение до минимального значения напряжения относительно земли нулевого провода и всех присоединенных к нему корпусов при случайном замыкании фазы на землю.

Значение тока короткого замыкания определяется формулой

,     (1)

где RТР.   – сопротивление одной фазы трансформатора,

RФ  и R0  – сопротивления соответственно фазного и нулевого проводов.

Величина сопротивления петли без учета обмотки питающего трансформатора определяется по формуле

.     (2)

В этом случае выражение (1) принимает вид:

    (3)

Так как сопротивление фазной обмотки трансформатора или генератора и сопротивление фазного провода представляет весьма малую величину (десятые доли Ом), поэтому большое значение тока короткого замыкания обеспечивает цепь зануления и нулевой провод. Для большинства сетей величина сопротивления петли «фаза – ноль» составляет 0,2–2,0 Ом. Таким образом, для сети напряжением 220 В Iк.з = 110...1100 А. Очевидно, что при таком токе защита должна сработать.

  1.  ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАНУЛЕНИЯ.
    НОРМИРОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Зануление как способ защиты персонала от поражения электрическим током в случае короткого замыкания на корпус применяется в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В.  Требования к цепям зануления изложены в ГОСТ 12.1.030 – 81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление» и в «Правилах устройства электроустановок» (ПУЭ).

Для обеспечения надежного отключения необходимо, чтобы ток КЗ превышал номинальный ток защиты:

Iк.зКIном,

где К   – коэффициент кратности;

Iном – номинальный ток плавкой вставки или ток уставки расцепителя автомата.

  •  Для плавких вставок коэффициент К следует принимать равным 3

IК.З  ≥ 3 IН;.      (4)

  •  для автоматов с номинальным током до 100 А кратность тока КЗ относительно величины уставки следует принимать равной 1,4

IК.З ≥ 1,4 IУСТ;     (5)

  •  для прочих автоматов К = 1,25

IК.З  ≥ 1,25 IУСТ..     (6)

Значение IУСТ  указывается в паспорте на автомат. Полная проводимость нулевого защитного проводника во всех случаях должна быть не менее 50 % проводимости фазного проводника.

  1.  ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема и общий вид лабораторной установки приведены на рис. 4. В данной установке ток короткого замыкания определяется косвенным методом с отключением питающего напряжения от потребителя. Замыкание  на корпус моделируется путем установки перемычки, соединяющей фазный провод с корпусом электроустановки (рис. 4).

Измерение производится методом амперметра-вольтметра с помощью источника пониженного напряжения  до 12 В (Тр2). Понижающий авто-трансформатор Тр2 подключается как можно ближе к питающему трансформатору Тр1. В этом случае сопротивление первичной обмотки автотрансформатора Тр2 будет определяться, в основном, сопротивлением одной обмотки Rтр трансформатора Тр1, а сопротивлением проводов можно пренебречь. Включение понижающего автотрансформатора Тр2 производится тумблером В1. Изменение напряжения, подаваемого для измерения, производится ручкой регулировки РН, выведенной на панель установки. По измеренным значениям напряжения и тока по закону Ома определяется сопротивление петли «фаза – ноль». После этого по заданному значению рабочего напряжения и рассчитанному значению сопротивления петли «фаза – ноль» с учетом сопротивления одной обмотки трансформатора Тр1 можно определить величину тока короткого замыкания.

 

Рис. 4. Лабораторная  установка по определению эффективности действия зануления:

а – общий вид; б – принципиальная схема:

Тр 1 – питающий трансформатор; Тр2 – понижающий автотрансформатор; В1 – тумблер включения понижающего автотрансформатора; Рп – тумблер, имитирующий рубильник подачи питания в цех; П1, П2 – потребители;Т1, Т2 – тумблеры, имитирующие рубильники подачи питания на потребители П1, П2; А – отключающий автомат с электромагнитным расцепителем; ПП – предохранитель с плавкими вставками;

– перемычка, соединяющая фазный провод с корпусом электроустановки;

– путь тока короткого замыкания.

Измерение производится методом «Амперметра-вольтметра» с помощью источника пониженного напряжения  до 12 В (Тр2). Понижающий авто-трансформатор Тр