非公路礦用自卸車振動評估方法

李來平，裴 潔，宋 晗，趙明凱，姚樹軍

（內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

非公路礦用自卸車生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的振動主要來自發(fā)動機(jī)在工作中產(chǎn)生的不平衡力或力矩以及來自路面的不平度激勵，其中路面激勵差異較大，更不可控。礦用車運(yùn)行環(huán)境大多起伏不平、多彎道、多坡道，路況較為復(fù)雜多變，車輛在裝載、起動、加速、轉(zhuǎn)彎、制動等過程中均會不同程度的受到各個方向的沖擊作用，從而產(chǎn)生了較大的路面動態(tài)激勵而產(chǎn)生振動。這種振動不僅使車輛的零部件產(chǎn)生疲勞沖擊，加速各接插聯(lián)接部位的松動和磨損，使相關(guān)零部件早期損壞，而且使車輛的駕駛員操作者長期暴露于這種振動環(huán)境下，在工作中處于全身振動、手臂振動狀態(tài)中，影響健康和舒適性，甚至產(chǎn)生職業(yè)病。從所查閱文獻(xiàn)資料看，目前國內(nèi)學(xué)者對礦用車振動評估方法大多是基于GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，評價其平順性（舒適性）[1]，但從礦用車產(chǎn)品出口看，用戶要求提供的都是影響健康的指標(biāo)，也就是需要評估車輛的健康影響。因此，著重討論實(shí)踐過程中振動對人體造成健康安全危害的適用標(biāo)準(zhǔn)和評估辦法，以滿足產(chǎn)品出口對振動性能的要求。

1 礦用自卸車振動影響及所用評估標(biāo)準(zhǔn)

1.1 全身振動

全身振動是指傳向整個人體的機(jī)械振動（沖擊），通常是通過振動（或受沖擊運(yùn)動）的支撐表面相接觸的人體區(qū)域（如腳部、臀部、背部）傳遞。對于非公路自卸車來說，車輛的振動傳遞給駕駛員的路徑為：駕駛室地板→腳，駕駛室地板→座椅→臀部和背部。許多駕駛員的健康癥狀與這種接觸有關(guān)，最常見的一個已知危險因素被稱為“腰椎綜合癥”，表現(xiàn)為背痛，這是由于長時間暴露在的振動中的負(fù)面結(jié)果[2]。

1.1.1 ISO 2631－1：1997標(biāo)準(zhǔn)評估方法

ISO 2631－1：1997《機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分：一般要求》標(biāo)準(zhǔn)定義了全身振動的量化方法，規(guī)定了周期、隨機(jī)和瞬態(tài)的全身振動的測量和振動值計(jì)算方法。該標(biāo)準(zhǔn)提供了振動對人體健康、感知與舒適和運(yùn)動病發(fā)病率3個方面的影響評價[3]。

ISO 2631－1將加速度指定為表示振動以供評估的主要參數(shù)，同時引入加速度的頻率權(quán)重用于評估坐姿健康影響，即z方向的Wk（近似垂直通過座位上的操作者），x方向（前后方向）和y方向（橫向）的Wd?；趯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將“基本評估方法”定義為計(jì)算頻率計(jì)權(quán)加速度均方根值（RMS）aW（單位m/s2），并提出了“波峰因子”的概念，即頻率計(jì)權(quán)加速度信號的最大瞬時峰值與其均方根值的比值，建議如果波峰因子小于或等于9，則加速度均方根值即作為衡量人體振動的基本評估方法和基本值。在基本評估方法可能會低估振動影響（波峰因子大于9、偶然性沖擊、瞬態(tài)振動）時，給出了振動幅值的2種附加測量方法：一是運(yùn)行均方根評價方法，即測量得到的最大瞬態(tài)振動測量值MTVV（單位m/s2），它對偶爾的沖擊很敏感；二是四次方振動劑量法，該方法使用加速度歷程的四次方作為計(jì)算平均的基礎(chǔ)，并提供對加速度峰值敏感的四次方振動劑量值VDV（單位m/s1.75）。

ISO 2631－1還提出了使用附加方法評估振動的健康或舒適影響的2個附加限值。如果MTVV值與RMS值的比值超過1.5，應(yīng)當(dāng)同時使用基本評估法和運(yùn)行均方根值法；如果VDV與RMS值和時間歷程的四次方乘積之比超過1.75時，建議同時使用基本評估法和四次方振動劑量法。如果波峰因子大于9（MTVV值與RMS值的比值），基本評估法不再適用，而只能用運(yùn)行均方根值法或四次方振動劑量法。

澳大利亞AS 2670.1－2001《全身振動人體接觸評估 一般要求》等同采用了ISO2631－1：1997標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 2631－1：1997標(biāo)準(zhǔn)分別給出了有關(guān)健康、舒適與感知以及運(yùn)動病的各種評價方法、頻率計(jì)權(quán)的使用指南和評估指南。

影響健康的適應(yīng)范圍是在0.5～80 Hz頻率范圍內(nèi)通過座椅底板整體傳入坐姿人體的振動。頻率計(jì)權(quán)均方根應(yīng)按每一方向（軸線）確定，每一方向應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行評估，應(yīng)考慮在任一軸上確定的最高頻率計(jì)權(quán)加速度；雖然注意到合成振動總值VTV有時用于估計(jì)健康風(fēng)險，條件是不存在主振動軸。標(biāo)準(zhǔn)指出坐姿人員的頻率計(jì)權(quán)應(yīng)按所示的乘數(shù)因子計(jì)算：即對x軸和y軸的乘數(shù)因子kx、ky）定義為1.4，z方向的乘數(shù)因子kz定義為1。

關(guān)于評估全身振動對健康的影響的進(jìn)一步指導(dǎo)，ISO 2631.1提供的“健康指導(dǎo)警告區(qū)”（HGCZ）如圖1。圖1為不同持續(xù)時間的計(jì)權(quán)均方根加速度定義了2種不同的日常暴露振動“健康指導(dǎo)警告區(qū)”。不同的日常暴露振動對4～ 8 h的持續(xù)時間是一致的。對于HGCZ以下的接觸，認(rèn)為沒有任何健康影響明確記錄，對于HGCZ內(nèi)的接觸“表明對潛在健康風(fēng)險的警告”，對于HGCZ區(qū)域以上的接觸，則建議“可能存在健康風(fēng)險”。

圖1 健康指導(dǎo)警告區(qū)（HGCZ）

雖然ISO 2631.1沒有提供任何暴露限值，但從圖1中得知，8 h接觸HGCZ的下界和上界分別被引用為0.47 m/s2和0.93 m/s2[4]。針對四次方振動劑量值VDV，標(biāo)準(zhǔn)建議可以從均方根值（計(jì)權(quán)加速度的1.4倍和測量持續(xù)時間1/4次方）推斷VDV的估計(jì)值（EVDV），建議對應(yīng)HGCZ的上、下界EVDV分別為8.5 m/s1.75和17 m/s1.75[4]。

1.1.2 ISO－TR 25398－2006指導(dǎo)性技術(shù)文件評估方法

本指導(dǎo)性技術(shù)文件對那些（如雇主、土方機(jī)械制造商）被要求確定、評估和提供文件證明駕乘式機(jī)器操作人員每日全身振動暴露量提供了指導(dǎo)方針[5]。其出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)ISO 2631－1來確定每日振動暴露A（8）。標(biāo)準(zhǔn)指出每日振動暴露A（8）是由作業(yè)過程中的暴露持續(xù)時間T和暴露持續(xù)時間內(nèi)的平均振動值的最大值－等效振動值aw，eg計(jì)算而得到的，計(jì)算過程涉及到的頻率計(jì)權(quán)、方向乘數(shù)因子、加速度均方根均符合ISO 2631.1標(biāo)準(zhǔn)中的方法。振動暴露的的評估值取為A（8）在x、y和z 3個方向上的最大值，也即超過8 h的等效振動總值。

本指導(dǎo)性技術(shù)文件同時提出了一個振動暴露點(diǎn)的概念，包括局部振動暴露點(diǎn)PEi和總的振動暴露點(diǎn)PEtot，這2個值僅作為A（8）值的一個簡單替代方法。把等效振動值0.5 s/m2作為A（8）設(shè)定為100暴露點(diǎn)的值，那么1 d中總的振動暴露100點(diǎn)的值等于A（8）=0.5 s/m2的暴露作用值，而529點(diǎn)的值等于A（8）=1.15 s/m2的暴露限值。

文件的附錄B提供了評價振動水平的數(shù)據(jù)（頻率計(jì)權(quán)均方根加速度值s/m2），這個數(shù)據(jù)表是基于在典型作業(yè)工況下至少進(jìn)行5～100次以上測量得出的結(jié)果。1臺機(jī)器的振動量可能會變化很大，例如：司機(jī)及其駕駛風(fēng)格（如粗魯、平穩(wěn)）、不同的作業(yè)工況條件、機(jī)器行駛速度或不同的物料都有可能影響到實(shí)際的振動量，因此采用平均值和不確定度的描述則是反映實(shí)際作業(yè)工況的最好體現(xiàn)。在使用附錄B的數(shù)據(jù)時，典型工況等效振動量值就取表中平均值；良好的作業(yè)工況，等效振動量值為平均值減去標(biāo)準(zhǔn)偏差；惡劣的作業(yè)工況，等效振動量值為平均值加上標(biāo)準(zhǔn)偏差。這個標(biāo)準(zhǔn)偏差是通過不同操作者、多臺機(jī)器、不同操作環(huán)境、測試儀器的組合得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而得。

1.1.3 GB/T 4970—2009標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》適用范圍明確說明適用GB／T 15089—2001《汽機(jī)動車輛及掛車分類》中的M類（乘用車）、N類（載貨車）車輛，該標(biāo)準(zhǔn)以ISO 2631-1標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，規(guī)定了脈沖輸入行駛試驗(yàn)和隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法。評價結(jié)果僅關(guān)注平順性也就是ISO 2631-1中的舒適性感知要求，其評價標(biāo)準(zhǔn)也引用了ISO 2631-1標(biāo)準(zhǔn)中“舒適與感知”的量化界限值描述。由于非公路礦用自卸車運(yùn)行環(huán)境及產(chǎn)品類別與此類機(jī)動車完全不屬同一類產(chǎn)品，因此不適合用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試和評價。

1.2 手臂振動

對于礦用自卸車來說，駕駛員手握方向盤或手柄，車輛的振動會通過方向盤或手柄傳遞到手臂。目前的研究認(rèn)為手臂振動對健康有影響，而與舒適性無關(guān)。手臂振動會導(dǎo)致手臂局部血液循環(huán)紊亂和局部骨骼和關(guān)節(jié)變形，也即手臂振動綜合征[2]。

手臂振動的強(qiáng)度值用ahv表示，也是x、y、z 3個方向上的頻率計(jì)權(quán)加速度均方根值，但3個方向上的方向乘數(shù)因子相同。同樣，手臂振動也要確定每日振動暴露A（8），由作業(yè)過程中的暴露持續(xù)時間T和暴露持續(xù)時間內(nèi)的等效振動值ahv計(jì)算而得到[6]。

ISO 5349-1：2001《機(jī)械振動 人體手傳振動的測量和評價 第1部分：一般要求》和ISO 5349-2：2001《機(jī)械振動人體手傳振動的測量與評價 第2部分：用于現(xiàn)場測量的實(shí)施指南》標(biāo)準(zhǔn)對手臂振動評估做了具體規(guī)定。

2 對振動限值要求的有關(guān)法規(guī)

2.1 歐盟振動危害指令

振動危害指令全稱為歐洲議會和理事會指令2002/44/EC《關(guān)于工人暴露于物理因素（振動）引發(fā)危險的最低健康和安全要求》。該指令規(guī)定了暴露作用值（EAV），要求雇主控制其操作者的全身振動風(fēng)險；并規(guī)定接觸限值（ELV），不得超過該限值。該指令解釋了應(yīng)用ISO 2631.1測量的振動暴露所遵從的具體限值，即：

對振動暴露水平的評估是基于每日接觸A（8）的計(jì)算，它表示為8 h內(nèi)的等效連續(xù)加速度，計(jì)算為頻率加權(quán)加速度的最高RMS值或最高振動劑量值VDV。EAV和ELV的RMS或VDV限值分別為0.5 m/s2（RMS）或9.1 m/s1.75（VDV）和1.15 m/s2（RMS）或21 m/s1.75（VDV），特別要求“操作者暴露量不得超過上面的ELV值”[7]。此限值比ISO 2631.1中HGCZ區(qū)域所意指的值要寬松一些。

2002/44/EC指令對于手臂振動，暴露作用值為2.5 m/s2，每日暴露限值為5 m/s2[7]。

在ISO-TR 25398-2006指導(dǎo)性技術(shù)文件中規(guī)定，基于歐洲指令2002/44/EC定義暴露作用值為A（8）=0.5 m/s2和暴露限值為A（8）=1.15 mm/s2。由于每日暴露量具有一定的不確定度，如果估算的值與暴露作用值或暴露限值接近，最好認(rèn)為該值已經(jīng)超出，雇主應(yīng)采取必要的措施。

2.2 澳大利亞《礦山設(shè)計(jì)指南》MDG-15規(guī)定

新南威爾士州礦山安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)在礦山設(shè)計(jì)指南MDG-15“應(yīng)用于礦山和石油開采場合的移動式和可運(yùn)輸設(shè)備”4.5.1中指出振動可導(dǎo)致長期肌肉骨骼損傷，應(yīng)采取充分的預(yù)防措施，以防止在任何設(shè)備運(yùn)行期間將過度振動傳遞給設(shè)備操作員；如果存在振動風(fēng)險，從而對操作者的健康或安全造成風(fēng)險，則應(yīng)由具有此類評估資歷的人員進(jìn)行振動評估。運(yùn)行期間傳遞的振動不應(yīng)超過AS 2670.1/IS0 2631.1-1997中的規(guī)定或歐洲指令2002/44/EC規(guī)定的極限水平[8]。

2.3 中國法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)

目前在土方機(jī)械振動安全要求方面，中國還沒有單獨(dú)的法規(guī)要求，適用的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》（等同采用ISO2631－1：1997標(biāo)準(zhǔn)）和GB/Z 26139—2010《土方機(jī)械 駕乘式機(jī)器暴露于全身振動的評價指南 國際協(xié)會、組織和制造商所測定協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用》（等同采用ISO/TR25398：2006標(biāo)準(zhǔn)），因此評估依據(jù)也完全按照ISO2631－1：1997和ISO/TR25398：2006標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3 振動評估的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 礦用自卸車振動影響評估類型選擇

在ISO2631－1標(biāo)準(zhǔn)中給出了振動對人體健康、感知與舒適和運(yùn)動病發(fā)病率3個方面的影響評價辦法，非公路礦用自卸車作為土方機(jī)械的一個種類，該如何選擇對應(yīng)的評價辦法呢？從標(biāo)準(zhǔn)描述中知道，運(yùn)動病適合于船舶和海上其他交通工具的運(yùn)動情形；對于舒適性，其環(huán)境背景主要指振動對日常活動（如閱讀、書寫和飲食）產(chǎn)生的干擾而引起的不舒適。人體舒適性主觀感覺評價與綜合振動總值的不同量值的近似關(guān)系也是基于在公共交通中的可能反應(yīng)，不同振動量值的反應(yīng)取決于乘客對旅行持續(xù)時間的期望和乘客所期望完成的活動類型（如閱讀、書寫和飲食）以及諸多其他因素（聽覺噪聲、溫度等），可見舒適性（平順性）評價主要是針對乘用車的，并不適用于土方施工作業(yè)的非公路礦用自卸車。

而且從歐盟振動危害指令2002/44/EC、澳大利亞《MDG－15礦山設(shè)計(jì)指南》以及非公路礦用自卸車產(chǎn)品出口過程中客戶標(biāo)書中的技術(shù)要求，均提出的是振動對人體健康的影響要求，因此對非公路礦用自卸車的振動評估也僅做人體健康影響評價。

3.2 礦用自卸車振動測試及評估

要測定某型號非公路礦用自卸車的振動情況，最好選擇多臺同型號礦用車，由多名不同的司機(jī)操作，選擇不同路面地形（如瀝青碎石道路、不平的混凝土路面、表面有坡度和弧度的路面等等），進(jìn)行一系列施工作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)采集。

單次測量時長（測試儀積分計(jì)算的時間長度）的取值，一方面應(yīng)能充分保證合理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)精度；另一方面根據(jù)人體全身和手臂對頻率的響應(yīng)而定，也就是各頻段振動對擬評估的人體暴露的影響要具有典型性。測量時，應(yīng)保證不小于如下的規(guī)定[2]：

1）全身振動（健康和舒適性影響）。頻率范圍0.5～80 Hz，測量時長≥180 s。

2）手臂振動（健康影響）。頻率范圍0.5～80 Hz，測量時長不小于12 s。

當(dāng)完整的暴露包括具有不同特性的時間段時，應(yīng)分別對不同時間段做單獨(dú)分析。

3.2.1 以ISO 2631－1標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果的分析

以多次測量數(shù)據(jù)結(jié)果為輸入，按照1.1.1描述的方法計(jì)算得到頻率計(jì)權(quán)均方根值RMS，對照“健康”評估項(xiàng)，分析各次RMS值在圖1“健康指導(dǎo)警告區(qū)”（HGCZ）中的分布情況。對于HGCZ陰影區(qū)域以下的接觸，認(rèn)為“沒有任何健康影響”，對于HGCZ內(nèi)的接觸“表明有潛在健康風(fēng)險，予以警告”，對于HGCZ區(qū)域以上的接觸，則“可能存在健康風(fēng)險”，必須采取措施。據(jù)了解，一些國外礦山機(jī)構(gòu)用HGCZ區(qū)域來評估振動結(jié)果。

也有制造商和機(jī)構(gòu)應(yīng)用測試數(shù)據(jù)計(jì)算8 h暴露量，按照歐盟振動危害指令2002／44／EC限值來評估振動結(jié)果。TEREX在蘇格蘭的工廠針對系列礦用車產(chǎn)品就進(jìn)行了這樣的評估。

3.2.2 以ISO－TR 25398－2006標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)果的分析

按照ISO－TR 25398－2006指導(dǎo)性技術(shù)文件：第1步：要得到礦用自卸車的屬性以及作業(yè)環(huán)境條件（包括：典型運(yùn)行條件、地面條件、地面硬度、裝卸物料、駕駛風(fēng)格等）；第2步：確定礦用自卸車的作業(yè)時間（駕乘時間）、暴露持續(xù)時間T，確定自卸車循環(huán)作業(yè)工況下每種工況的持續(xù)暴露時間Ti（本文件對于礦用自卸車給定的典型作業(yè)工況包括：裝載、帶載行駛、卸載、空載行駛）；第3步：根據(jù)以上信息對應(yīng)附錄B中的等效振動值數(shù)據(jù)加上或減去標(biāo)準(zhǔn)偏差得到每一工況下的等效振動值；第4步：計(jì)算A（8）或PEtot；第5步：依據(jù)歐盟振動危害指令2002/44/EC，得出結(jié)論。此方法利用了附錄B中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有條件的話可以進(jìn)行實(shí)測，以驗(yàn)證振動暴露實(shí)際值。

4 標(biāo)準(zhǔn)使用中的模糊性和局限性

盡管ISO 2631－1定義了全身振動量化的方法，正如導(dǎo)言中明確指出的那樣，它“不包含振動暴露限值”，只是給出了圖1的HGCZ區(qū)域，從中對應(yīng)出上下界限值。在應(yīng)用ISO 2631評估全身振動時，曾注意到一些歧義和異常。例如，在評估全身振動的健康影響時，對X軸和Y軸使用1.4乘法因子，而評估全身振動對舒適性的影響時則沒有[4]。

ISO 2631－1沒有提供與HGCZ有關(guān)的MTVV評價指南。對于是否應(yīng)將乘數(shù)因子K應(yīng)用于MTVV評估的x和y方向，沒有提供任何指導(dǎo)；也沒有提供關(guān)于VDV評估的明確指導(dǎo)，盡管一般推斷標(biāo)準(zhǔn)中提到的EVDV值可以使用，但沒有說明是否應(yīng)將乘數(shù)因子K適用于x。

而ISO－TR 25398－2006指導(dǎo)性技術(shù)文件的使用也存在一定的局限性，附錄B中提供的評價振動水平的數(shù)據(jù)是基于在典型作業(yè)工況下至少進(jìn)行5～100次以上測量得出的結(jié)果，并假定同一類型機(jī)械的振動水平都是一樣的。實(shí)際上，對于非公路礦用自卸車來說，不同的車型懸掛系統(tǒng)、駕駛室減振、輪胎等不同，振動水平可能就不同，如果用這個數(shù)據(jù)表作為等效振動均值，得出的結(jié)論可能會出現(xiàn)偏差。

5 結(jié)語

對非公路礦用自卸車駕駛員接觸全身振動（WBV），應(yīng)用ISO 2631－1標(biāo)準(zhǔn)中的“健康指導(dǎo)警告區(qū)”（HGCZ）來判定駕駛員的健康安全。對于HGCZ陰影區(qū)域以下的接觸，認(rèn)為“沒有任何健康影響”，對于HGCZ內(nèi)的接觸“表明有潛在健康風(fēng)險，予以警告”，對于HGCZ區(qū)域以上的接觸，則“可能存在健康風(fēng)險”，必須采取措施。

應(yīng)用ISO－TR 25398－2006指導(dǎo)性技術(shù)文件計(jì)算A（8）或PEtot值，或按ISO 2631－1的測量值，計(jì)算8 h暴露量，依據(jù)歐盟振動危害指令2002/44/EC，判定振動暴露其處于限值范圍的哪個區(qū)間，特別要求“操作者暴露量不得超過極限值1.15 m/s2（RMS）或21 m/s1.75（VDV）。

數(shù)據(jù)表明，除輪胎、懸掛、座椅等車輛自身設(shè)計(jì)方面外，自卸車駕駛員接觸到的振動振幅也是一系列其他因素的函數(shù)，例如道路狀況和車輛速度，駕駛者的技術(shù)差異。正確調(diào)整和維護(hù)機(jī)械、平穩(wěn)操作機(jī)械以及保持穩(wěn)定的地形條件可以減少全身振動。對于設(shè)備制造商來說，測量必須在真實(shí)的操作條件范圍內(nèi)進(jìn)行，以便為設(shè)計(jì)目的準(zhǔn)確地描述振動暴露。