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)運行中產(chǎn)生的振動主要來自發(fā)動機在工作中產(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。礦用車運行環(huán)境大多起伏不平、多彎道、多坡道，路況較為復雜多變，車輛在裝載、起動、加速、轉彎、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。從所查閱文獻資料看，目前國內(nèi)學者對礦用車振動評估方法大多是基于GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》標準，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，也就是需要評估車輛的健康影響。因此，著重討論實踐過程中振動對人體造成健康安全危害的適用標準和評估辦法，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準

1.1 全身振動

全身振動是指傳向整個人體的機械振動（沖擊），通常是通過振動（或受沖擊運動）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，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面結果[2]。

1.1.1 ISO 2631－1：1997標準評估方法

ISO 2631－1：1997《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分：一般要求》標準定義了全身振動的量化方法，規(guī)定了周期、隨機和瞬態(tài)的全身振動的測量和振動值計算方法。該標準提供了振動對人體健康、感知與舒適和運動病發(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?；趯嵺`經(jīng)驗，將“基本評估方法”定義為計算頻率計權加速度均方根值（RMS）aW（單位m/s2），并提出了“波峰因子”的概念，即頻率計權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算平均的基礎，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，應當同時使用基本評估法和運行均方根值法；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標準。

ISO 2631－1：1997標準分別給出了有關健康、舒適與感知以及運動病的各種評價方法、頻率計權的使用指南和評估指南。

影響健康的適應范圍是在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。頻率計權均方根應按每一方向（軸線）確定，每一方向應獨立進行評估，應考慮在任一軸上確定的最高頻率計權加速度；雖然注意到合成振動總值VTV有時用于估計健康風險，條件是不存在主振動軸。標準指出坐姿人員的頻率計權應按所示的乘數(shù)因子計算：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。

關于評估全身振動對健康的影響的進一步指導，ISO 2631.1提供的“健康指導警告區(qū)”（HGCZ）如圖1。圖1為不同持續(xù)時間的計權均方根加速度定義了2種不同的日常暴露振動“健康指導警告區(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“可能存在健康風險”。

圖1 健康指導警告區(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，標準建議可以從均方根值（計權加速度的1.4倍和測量持續(xù)時間1/4次方）推斷VDV的估計值（EVDV），建議對應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指導性技術文件評估方法

本指導性技術文件對那些（如雇主、土方機械制造商）被要求確定、評估和提供文件證明駕乘式機器操作人員每日全身振動暴露量提供了指導方針[5]。其出發(fā)點是根據(jù)ISO 2631－1來確定每日振動暴露A（8）。標準指出每日振動暴露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計算而得到的，計算過程涉及到的頻率計權、方向乘數(shù)因子、加速度均方根均符合ISO 2631.1標準中的方法。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。

本指導性技術文件同時提出了一個振動暴露點的概念，包括局部振動暴露點PEi和總的振動暴露點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）設定為100暴露點的值，那么1 d中總的振動暴露100點的值等于A（8）=0.5 s/m2的暴露作用值，而529點的值等于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)（頻率計權均方根加速度值s/m2），這個數(shù)據(jù)表是基于在典型作業(yè)工況下至少進行5～100次以上測量得出的結果。1臺機器的振動量可能會變化很大，例如：司機及其駕駛風格（如粗魯、平穩(wěn)）、不同的作業(yè)工況條件、機器行駛速度或不同的物料都有可能影響到實際的振動量，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準偏差；惡劣的作業(yè)工況，等效振動量值為平均值加上標準偏差。這個標準偏差是通過不同操作者、多臺機器、不同操作環(huán)境、測試儀器的組合得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)而得。

1.1.3 GB/T 4970—2009標準適用范圍

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

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。目前的研究認為手臂振動對健康有影響，而與舒適性無關。手臂振動會導致手臂局部血液循環(huán)紊亂和局部骨骼和關節(jié)變形，也即手臂振動綜合征[2]。

手臂振動的強度值用ahv表示，也是x、y、z 3個方向上的頻率計權加速度均方根值，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計算而得到[6]。

ISO 5349-1：2001《機械振動 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)場測量的實施指南》標準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險；并規(guī)定接觸限值（ELV），不得超過該限值。該指令解釋了應用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）的計算，它表示為8 h內(nèi)的等效連續(xù)加速度，計算為頻率加權加速度的最高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指導性技術文件中規(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，最好認為該值已經(jīng)超出，雇主應采取必要的措施。

2.2 澳大利亞《礦山設計指南》MDG-15規(guī)定

新南威爾士州礦山安全監(jiān)管機構在礦山設計指南MDG-15“應用于礦山和石油開采場合的移動式和可運輸設備”4.5.1中指出振動可導致長期肌肉骨骼損傷，應采取充分的預防措施，以防止在任何設備運行期間將過度振動傳遞給設備操作員；如果存在振動風險，從而對操作者的健康或安全造成風險，則應由具有此類評估資歷的人員進行振動評估。運行期間傳遞的振動不應超過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)或標準

目前在土方機械振動安全要求方面，中國還沒有單獨的法規(guī)要求，適用的標準有GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊 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標準）和GB/Z 26139—2010《土方機械 駕乘式機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)的應用》（等同采用ISO/TR25398：2006標準），因此評估依據(jù)也完全按照ISO2631－1：1997和ISO/TR25398：2006標準執(zhí)行。

3 振動評估的實踐應用

3.1 礦用自卸車振動影響評估類型選擇

在ISO2631－1標準中給出了振動對人體健康、感知與舒適和運動病發(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械的一個種類，該如何選擇對應的評價辦法呢？從標準描述中知道，運動病適合于船舶和海上其他交通工具的運動情形；對于舒適性，其環(huán)境背景主要指振動對日?；顒樱ㄈ玳喿x、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系也是基于在公共交通中的可能反應，不同振動量值的反應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礦山設計指南》以及非公路礦用自卸車產(chǎn)品出口過程中客戶標書中的技術要求，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（測試儀積分計算的時間長度）的取值，一方面應能充分保證合理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度；另一方面根據(jù)人體全身和手臂對頻率的響應而定，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。

當完整的暴露包括具有不同特性的時間段時，應分別對不同時間段做單獨分析。

3.2.1 以ISO 2631－1標準對結果的分析

以多次測量數(shù)據(jù)結果為輸入，按照1.1.1描述的方法計算得到頻率計權均方根值RMS，對照“健康”評估項，分析各次RMS值在圖1“健康指導警告區(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“表明有潛在健康風險，予以警告”，對于HGCZ區(qū)域以上的接觸，則“可能存在健康風險”，必須采取措施。據(jù)了解，一些國外礦山機構用HGCZ區(qū)域來評估振動結果。

也有制造商和機構應用測試數(shù)據(jù)計算8 h暴露量，按照歐盟振動危害指令2002／44／EC限值來評估振動結果。TEREX在蘇格蘭的工廠針對系列礦用車產(chǎn)品就進行了這樣的評估。

3.2.2 以ISO－TR 25398－2006標準對結果的分析

按照ISO－TR 25398－2006指導性技術文件：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：典型運行條件、地面條件、地面硬度、裝卸物料、駕駛風格等）；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)以上信息對應附錄B中的等效振動值數(shù)據(jù)加上或減去標準偏差得到每一工況下的等效振動值；第4步：計算A（8）或PEtot；第5步：依據(jù)歐盟振動危害指令2002/44/EC，得出結論。此方法利用了附錄B中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，有條件的話可以進行實測，以驗證振動暴露實際值。

4 標準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，從中對應出上下界限值。在應用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有關的MTVV評價指南。對于是否應將乘數(shù)因子K應用于MTVV評估的x和y方向，沒有提供任何指導；也沒有提供關于VDV評估的明確指導，盡管一般推斷標準中提到的EVDV值可以使用，但沒有說明是否應將乘數(shù)因子K適用于x。

而ISO－TR 25398－2006指導性技術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)工況下至少進行5～100次以上測量得出的結果，并假定同一類型機械的振動水平都是一樣的。實際上，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，得出的結論可能會出現(xiàn)偏差。

5 結語

對非公路礦用自卸車駕駛員接觸全身振動（WBV），應用ISO 2631－1標準中的“健康指導警告區(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“表明有潛在健康風險，予以警告”，對于HGCZ區(qū)域以上的接觸，則“可能存在健康風險”，必須采取措施。

應用ISO－TR 25398－2006指導性技術文件計算A（8）或PEtot值，或按ISO 2631－1的測量值，計算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、座椅等車輛自身設計方面外，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，駕駛者的技術差異。正確調(diào)整和維護機械、平穩(wěn)操作機械以及保持穩(wěn)定的地形條件可以減少全身振動。對于設備制造商來說，測量必須在真實的操作條件范圍內(nèi)進行，以便為設計目的準確地描述振動暴露。