工作場所手傳振動的測量與評估*——以割草機和綠籬機為例

吳明忠，楊 帆

(華僑大學(xué) 機電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

手臂振動病(Hand-arm vibration disease, HAVD)是長期從事手傳振動作業(yè)而引起的以手部末梢循環(huán)和/或手臂神經(jīng)功能障礙為主的疾病，并能引起手臂骨關(guān)節(jié)-肌肉的損傷，發(fā)病部位多在上肢末端，其典型表現(xiàn)為發(fā)作性手指變白[1]。手臂振動病已成為工業(yè)/農(nóng)業(yè)國家一種常見的職業(yè)病，目前在很多行業(yè)已發(fā)現(xiàn)手臂振動病，主要有礦業(yè)、林業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸業(yè)等，而且近幾年有學(xué)者也對鼓手、牙醫(yī)、騎行族等進行手傳振動的研究[2-11]。手臂振動病的發(fā)病機制尚未明確，而且沒有特效的藥物和治療方法，因此應(yīng)以預(yù)防為主[12]。

為了綠化城市，改善人居生態(tài)環(huán)境，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年10月28日印發(fā)了《國家園林城市系列標準》，規(guī)定了城鄉(xiāng)的綠化覆蓋率，其中草坪植被和常綠苗木是園林景觀的重要組成部分，如圖1所示。為此，需要定期進行修剪，而割草機和綠籬機是修剪草坪、樹籬和常綠苗木的主要工具，如圖2和圖3所示。隨著城鄉(xiāng)綠化覆蓋率要求的提高，該行業(yè)作業(yè)人員人數(shù)必將增加，包括從事割草和修枝的作業(yè)人員。國外已有研究表明，使用割草機也會導(dǎo)致出現(xiàn)手臂振動病，患病率高達36.3%[13]。從已有文獻看，我國雖然未發(fā)現(xiàn)使用割草機或綠籬機的作業(yè)人員出現(xiàn)手臂振動病的報道，也未發(fā)現(xiàn)有關(guān)割草機、綠籬機的手傳振動測量和評估的研究報告。但該行業(yè)卻存在手臂振動病職業(yè)危害的風險。為了更好地了解割草機和綠籬機對作業(yè)人員造成的手傳振動危害，進而有效預(yù)防該行業(yè)手臂振動病的出現(xiàn)，本文對該行業(yè)作業(yè)人員主要接觸的手傳振動工具——割草機和綠籬機，進行手傳振動測量、分析和評估，為相關(guān)職業(yè)手臂振動病防護措施的制定和動力工具的改進設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)參考。該研究也有助于相關(guān)作業(yè)人員和相關(guān)單位部門更多了解手傳振動所致的職業(yè)危害，以提前采取必要的防護措施，切實保障勞動者的職業(yè)健康權(quán)益，同時也為個人和單位減少不必要的經(jīng)濟損失。

圖1 景觀綠化Fig.1 Landscape planting

圖2 割草機Fig.2 Grass trimmer

圖3 綠籬機Fig.3 Hedge trimmer

1 手傳振動的測量

1.1 測量儀器

使用杭州愛華儀器有限公司的AWA 6258多功能振動分析儀和AWA 84152A三軸向傳感器。該儀器通過配置不同的軟件模塊可以實現(xiàn)對手傳振動、全身振動的3個軸向同時測量，符合GB/T 23716-2009(ISO 8041：2005，IDT)《人體對振動的響應(yīng)測量儀器》的標準要求[14]，如圖4所示。

圖4 多功能振動分析儀Fig.4 Multi-Functional vibration analyzer

1.2 測量方法

在工作場所，根據(jù)GB/T 14790(ISO 5349：2001，IDT)[ 15-19]的要求進行測量。測量的方向應(yīng)根據(jù)ISO 8727規(guī)定的基本中心坐標系和生物動力學(xué)坐標系確定[20]，如圖5所示。傳感器牢固地安裝在靠近工具手柄的手握區(qū)域，且不影響作業(yè)人員的正常工作。傳感器在手柄上的安裝位置和方向，如圖6所示。

圖5 手的坐標系Fig.5 Coordinate system of the hand

圖6 傳感器的安裝位置Fig.6 Installation positions of sensors

1.3 振動總值

手傳振動幅值一般用頻率計權(quán)加速度的均方根(rms，單位m/s2)來描述。頻率計權(quán)因子應(yīng)符合 GB/T 23716-2009規(guī)定。ISO 5349-1:2001規(guī)定了振動暴露評價是基于振動總值ahv，即3個正交軸向頻率計權(quán)加速度分量均方根平方和的方根，見式(1)所示；單軸向頻率計權(quán)加速度均方根值ahw，按式(2)計算；如果工作日由一些不同振動幅值的作業(yè)組成的總?cè)照駝颖┞?，則振動總值ahv由式(3)得出。

(1)

式中：ahwx,ahwy,ahwz分別是x，y，z軸頻率計權(quán)加速度均方根值，單位m/s2。

(2)

式中：Whi表示第i個1/3倍頻程的計權(quán)因子；ahi表示第i個1/3倍頻帶測得的均方根加速度，單位m/s2。

(3)

式中：ahvi表示第i次操作的振動總值；Ti表示第i次操作的持續(xù)時間；T表示相對于振動總值ahv的日暴露總時間。

1.4 測量對象

本次測量中涉及從事該行業(yè)的作業(yè)人員有6名，均為男性，年齡在30～60歲之間，工齡至少在1 a以上。本次測量中涉及的割草機都是側(cè)掛式、U型雙手柄的汽油割草機，如圖2所示。割草方式有2種：刀片和打草繩，如圖7所示。刀片主要用于修剪草坪較為稠密、地面平整、沒有碎石的場所；打草繩用于修剪草坪較為稀疏、有碎石、地面凹凸不平、路牙邊和石頭縫等場所，打草繩可以降低修剪中揚起的小石塊或其他硬物對作業(yè)人員和周邊人員造成的傷害，并且可以降低對周邊環(huán)境的破壞程度，打草繩還可以保證修剪非平整地面草坪的整齊度。本次測量中涉及的綠籬機都是手持式單刃汽油綠籬機，整體結(jié)構(gòu)基本一致，如圖3所示。

圖7 割草方式Fig.7 The methods of cutting grass

根據(jù)GB/T 14790要求，為了更好地反應(yīng)評價特定作業(yè)人員的振動暴露，應(yīng)至少對3個不同作業(yè)人員進行手傳振動測量。鑒于此本次選擇3個不同作業(yè)場所的割草機和綠籬機進行測量，這3個作業(yè)場所分別為：某小區(qū)、某城市景觀綠化帶和某學(xué)校，3個作業(yè)場所所采用的割草機和綠籬機的相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

表1 割草機的相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of grass trimmer

表2 綠籬機的相關(guān)參數(shù)Table 2 Relevant parameters of hedge trimmer

1.5 測量結(jié)果

本次測量了割草機和綠籬機在空轉(zhuǎn)和作業(yè)情況下的頻率計權(quán)加速度，而且包含左右手握持部位測量的結(jié)果。每次測量時間至少30 s，在左右手握持部位上各測量3次。這樣的測量結(jié)果更能表示作業(yè)人員在作業(yè)期間接觸的手傳振動特性，因為作業(yè)人員在實際的作業(yè)期間都會不斷的調(diào)整作業(yè)的位置或操作的姿勢，這期間的動力工具就是處在空轉(zhuǎn)和作業(yè)2種工況不斷交替的狀態(tài)下，測量結(jié)果見表3和表4，表中的平均值是等效振動總值多次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

表3 割草機頻率計權(quán)加速度Table 3 Frequency-weighted acceleration of the grass trimmer (m/s2)

表4 綠籬機頻率計權(quán)加速度Table 4 Frequency-weighted acceleration of the hedge trimmer (m/s2)

2 手傳振動危害評估和防護

2.1 日暴露限值

歐盟議會發(fā)布的歐盟振動指令2002/44/EC[21]和美國國家標準ANSI S2.70：2006[22]，都明確規(guī)定振動日暴露作用值為2.5 m/s2和日暴露極限值為5.0 m/s2。這些值已經(jīng)被美國和其他國家的醫(yī)學(xué)專家、科學(xué)家、工程師、研究所和工業(yè)所普遍接受[23]。當工人暴露于手傳振動作業(yè)的振動總值在限值以內(nèi)時，他們患手臂振動病的可能性將減小。

我國GBZ2.2-2007規(guī)定了手傳振動4h等能量頻率計權(quán)加速度的職業(yè)接觸限值為5 m/s2[24]。為了便于對不同作業(yè)時間的日暴露量進行比較，日振動暴露量應(yīng)采用8 h等能量頻率計權(quán)振動總值ahv(eq,8h)表示，簡化記為A(8)。我國標準采用4 h等能量頻率計權(quán)振動總值ahv(eq,4h)表示，簡化記為A(4)，A(4)可以通過公式(4)換算為A(8)[16]。

(4)

式中：T表示相對于振動總值ahv的日暴露總時間；T0為8小時的參考時間。

我國的手傳振動職業(yè)接觸限值A(chǔ)(4)=5 m/s2到A(8)的換算如下：

因此，我國的日暴露極限值A(chǔ)(8)=3.5 m/s2。

2.2 割草機和綠籬機的A(8)值與結(jié)果分析

通過與本次測量涉及的作業(yè)人員面談了解到，他們一天工作時間一般是7～8 h，扣除人和機器的休息時間，作業(yè)人員平均每天接觸手傳振動的時間約6 h?，F(xiàn)將表3和表4中的等效振動總值的平均值代入公式(4)得8 h等能量頻率計權(quán)振動總值，結(jié)果見表5。該結(jié)果與Azmir的測量結(jié)果A(8)值為2.1～29.1 m/s2較為相似[13]。

從表1～5可見，3個不同場所的A(8)值差異較大，但都超過了我國的日暴露極限值3.5 m/s2。其中學(xué)校使用的割草機的A(8)平均值最大(達到了21.36 m/s2)，而小區(qū)的A(8)平均值最小(為4.03 m/s2)，但在學(xué)校和景觀帶測量的振動總值較為接近，小區(qū)測量的振動總值較小，與小區(qū)使用的割草機的轉(zhuǎn)速較低有關(guān)；在城市綠化景觀帶使用的綠籬機的最大振動總值為48.24 m/s2，而最小振動總值與學(xué)校的差不多，景觀帶綠籬機的振動總值平均值明顯大于學(xué)校和小區(qū)的，是因為在測量景觀帶綠籬機時讓作業(yè)人員將油門加到最大的緣故。這些測量數(shù)據(jù)的差異與機器品牌、工況、實際輸出功率、作業(yè)人員個體差異和傳感器的安裝位置有關(guān)。另外作業(yè)人員對機器操作的方式和習(xí)慣的不同，會影響人機的耦合特性，這也是造成測量結(jié)果差異的原因之一。誠然，割草機和綠籬機的振動總值是從3個不同的工作場所測量的，涉及不同的作業(yè)人員和不同品牌的動力工具，但這樣的測量結(jié)果對該工種、該行業(yè)的手傳振動測量和評估更具有普遍性意義。

2.3 危害評估

評價暴露人員中的10%發(fā)生手指變白的日振動暴露量A(8)與累計暴露時間Dy的關(guān)系，如式(5)和圖8所示，該公式可用來規(guī)定職業(yè)暴露人群中手傳振動健康危險的暴露標準。

Dy=31.8[A(8)]-1.06

(5)

式中：Dy表示人群平均總的(累計)暴露時間，單位為a[16]。

將3個場所測量的A(8)值代入公式(5)得Dy，見表5所列，也就是預(yù)期分別經(jīng)過1.8～8.5 a和1.9～5.2 a后，暴露于作業(yè)割草機和綠籬機工種人群的10%以上將出現(xiàn)振動性白指。無論采用打草繩還是刀片，雖然對空轉(zhuǎn)下的振動總值有影響，但在作業(yè)情況下，主要與所要修剪的草坪的疏密、實際輸出的功率等有關(guān)。

表5 A(8)與DyTable 5 A(8) and Dy

圖8 暴露人群中預(yù)期振動性白指10%的振動暴露量Fig.8 Vibration exposure amount for predicted 10% prevalence of vibration-induced white finger in exposure population

2.4 個體防護

在手傳振動個體防護方面，從事割草的作業(yè)人員僅佩戴了普通的勞保手套——棉紗手套。而綠籬機由于手柄上套有海綿套，因此修枝的作業(yè)人員普遍未采取任何防護措施。根據(jù)以上測量結(jié)果，這2個工種的作業(yè)人員應(yīng)該采取必要的防護措施以降低手傳振動的危害，如采用減振手套或者采用A(8)小于歐盟振動指令規(guī)定的振動作用值2.5 m/s2的動力工具。但從現(xiàn)有的情況來看，較為有效的方法應(yīng)該是減少作業(yè)時間。日暴露時間T是將A(8)=2.5 m/s2，表3和表4的振動總值平均值ahv以及T0=8 h代入公式(4)求得的，結(jié)果見表6和表7所列。即3個不同工作場所的作業(yè)人員應(yīng)該將每日接觸振動的時間控制在表6或表7的時間T之內(nèi)，以有效降低或避免手臂振動病的出現(xiàn)。

表6 割草機日暴露時間TTable 6 Daily exposure time of grass trimmer

表7 綠籬機日暴露時間TTable 7 Daily exposure time of hedge trimmer

3 結(jié)論

1)根據(jù)手傳振動的相關(guān)標準進行手傳振動測量和評估，結(jié)果表明割草和修枝工種涉及的動力工具的A(8)值已嚴重超出國家標準規(guī)定的振動限值3.5 m/s2，預(yù)計分別經(jīng)過1.8～8.5 a和1.9～5.2 a后暴露人員中的10%以上將出現(xiàn)振動性白指。所以應(yīng)該改進動力工具或改用振動幅值不超過振動限值的動力工具，或采取必要的防護措施(如減振手套)以降低振動總值，或減少每日的作業(yè)時間。為了有效降低或避免該行業(yè)作業(yè)人員手臂振動病的出現(xiàn)，割草機和綠籬機的日暴露時間分別控制在2.6 h和2.7 h以內(nèi)。

2)我國現(xiàn)行的手傳振動相關(guān)標準主要是等同采用ISO的標準，國外的標準并不完全適用于我國。因此，制定符合我國國情或適用于我國特定人群的相關(guān)標準尤為重要，而這些標準的制定需要一定數(shù)量的試驗數(shù)據(jù)，可是我國在這些方面的研究數(shù)據(jù)缺失，因此今后應(yīng)該加強在手傳振動測量方面的研究。