路世青，楊鵬，陳昌明，何苗，金輝

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶市，400054)

0 引言

微耕機(jī)由于采用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致工作中存在著劇烈振動(dòng)的問題，這種振動(dòng)通過扶手架手柄傳至操作者手部，進(jìn)而帶動(dòng)操作者整個(gè)手臂系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，即手傳振動(dòng)。操作者長時(shí)間使用微耕機(jī)時(shí)，會(huì)引起手臂麻木、關(guān)節(jié)損傷、白指病等手傳振動(dòng)綜合癥[1]。手傳振動(dòng)對人體的傷害程度取決于手臂系統(tǒng)的振動(dòng)暴露量，即振動(dòng)傳遞中吸收的能量[2-3]。ISO 5349—2001[4]規(guī)定了利用加速度傳感器測量和評價(jià)手傳振動(dòng)暴露量的基本方法，該標(biāo)準(zhǔn)還明確指出振動(dòng)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)、操作者的握力等因素會(huì)影響手傳振動(dòng)響應(yīng)，但未說明這些因素的影響規(guī)律，也未給出考慮這些因素下的手傳振動(dòng)測試方法。

手傳振動(dòng)的影響因素一直是國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究關(guān)注的要點(diǎn)，研究人員一般通過試驗(yàn)分析各類振動(dòng)工具在不同振源特性[5-6]、握力[7]或手臂姿勢[8-9]等因素影響下，手臂系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)特征或振動(dòng)傳遞率規(guī)律。目前，僅有少數(shù)學(xué)者針對微耕機(jī)的手傳振動(dòng)特性開展了研究工作。Ying等[10]測試了微耕機(jī)手柄處的三向加速度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到使用微耕機(jī)約1.4年就會(huì)發(fā)生神經(jīng)血管系統(tǒng)的手傳振動(dòng)病癥。Dewangan等[11]測試了手臂系統(tǒng)不同分段部位的加速度信號，分析了微耕機(jī)耕作過程中的振動(dòng)傳遞率。許洪斌[12]、徐梓翔[13]利用土槽試驗(yàn)臺(tái)測試了微耕機(jī)手柄處三向振動(dòng)加速度，計(jì)算了微耕機(jī)振動(dòng)暴露量。需要注意的是，在操控微耕機(jī)工作過程中，不同操作者會(huì)傾向于使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和手部握力，這些操控方式是影響手傳振動(dòng)特性的重要因素。然而，目前微耕機(jī)手傳振動(dòng)特性的研究中，還鮮有研究考慮這些操控因素的影響。本研究利用多類傳感器及設(shè)備進(jìn)行微耕機(jī)手傳振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對10名受試者開展了測試，重點(diǎn)分析了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、不同握力下微耕機(jī)手傳振動(dòng)特性及傳遞規(guī)律。

1 微耕機(jī)手傳振動(dòng)量化評價(jià)方法

1.1 振動(dòng)方向的定義

微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)通過機(jī)架、扶手架傳遞至手柄，再通過手柄傳遞至操作者手臂系統(tǒng)。由于振動(dòng)傳遞路徑的方向發(fā)生多次改變，手臂系統(tǒng)的受迫振動(dòng)在三個(gè)正交方向上均有一定的作用。因此，測量一般是對三個(gè)正交方向同時(shí)進(jìn)行。考慮到抓握微耕機(jī)手柄時(shí)手部姿態(tài)，參考ISO 5349—2001對手傳振動(dòng)基本中心坐標(biāo)系的定義，將手背處第三掌骨頭遠(yuǎn)端位置定義為坐標(biāo)系原點(diǎn)，與手柄軸線平行方向定義為X軸，垂直于手柄軸線并平行于第三掌骨縱軸方向定義為Y軸，垂直于第三掌骨處手背的方向定義為Z軸，如圖1所示。

圖1 手傳振動(dòng)測量坐標(biāo)系定義

1.2 振動(dòng)強(qiáng)度的評價(jià)

振動(dòng)加速度是評價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度的最主要指標(biāo)。同時(shí)，人體對振動(dòng)的反應(yīng)很大程度上取決于振動(dòng)的頻率。因此，手傳振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定用頻率加速度的均方根來描述振動(dòng)強(qiáng)度特征，并普遍采用1/3倍頻程振動(dòng)加速度進(jìn)行量化評價(jià)[14-15]。根據(jù)研究目的又可分為頻率計(jì)權(quán)[16]或非計(jì)權(quán)[17-18]方式。本研究側(cè)重分析握力、頻率等因素對手傳振動(dòng)特性的影響，為了更直觀反映各因素影響程度，因此采用非計(jì)權(quán)評價(jià)方式。在單向坐標(biāo)軸方向其振動(dòng)加速度計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：aRMS——1/3倍頻程加速度均方根值；

a(t)——加速度幅值；

T——手傳振動(dòng)測試時(shí)長。

根據(jù)ISO 5349—2001，手傳振動(dòng)暴露總量定義為三個(gè)坐標(biāo)軸方向分量值的均方根。

(2)

式中：ahv——總的振動(dòng)均方根；

ax，ay，az——X，Y，Z軸方向加速度的均方根值。

因此，振動(dòng)強(qiáng)度的矢量之和與坐標(biāo)系的方向無關(guān)。

1.3 振動(dòng)傳遞率

振動(dòng)傳遞率(Vibration transmissibility，TR)是研究穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)中振動(dòng)傳遞特性的代表性分析方法。通過分析手臂系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)傳遞率，研究微耕機(jī)振動(dòng)從手柄傳入手掌、手腕、肘部及肩部的傳遞規(guī)律。因此，將振動(dòng)傳遞率定義為手臂系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)測得的振動(dòng)加速度與微耕機(jī)手柄處輸入振動(dòng)的比值。

TR=aout/ain

(3)

式中：TR——手背掌骨、手腕、肘部和肩部的振動(dòng)傳遞率；

ain——微耕機(jī)手柄處1/3倍頻帶內(nèi)測得的振動(dòng)加速度均方根值；

aout——手背掌骨、手腕、肘部和肩部1/3倍頻帶內(nèi)測得的振動(dòng)加速度均方根值。

2 微耕機(jī)手傳振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及測試裝置

測試選用我國丘陵山區(qū)廣泛使用的單軸微耕機(jī)，該微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率4.0 kW，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min，整機(jī)質(zhì)量72 kg，輪胎為350-6型充氣橡膠輪胎，啟動(dòng)方式為拉繩啟動(dòng)。本試驗(yàn)招募了10名身體健康的受試者參與測試，受試者年齡18～37歲，身高164.0～179.0 cm，體重50.0～72.0 kg，前臂長22.1～26.8 cm，上臂長26.8～34.0 cm，手長15.2～21.0 cm。測試前開展了本試驗(yàn)的倫理審查工作，所有受試者簽署了知情同意書。

如圖2所示，在微耕機(jī)手柄和受試者左手背的第三掌骨處分別固定2個(gè)PCB三向加速度傳感器，在左上肢手腕、肘部、上臂和肩部固定Z軸指向的單向加速度傳感器。加速度信號采集系統(tǒng)采用了cRIO-9045數(shù)據(jù)采集盒和NI-9234C采集卡模塊進(jìn)行加速度時(shí)域信號采集，采樣頻率為1 650 Hz。

圖2 微耕機(jī)手傳振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在微耕機(jī)手柄上，左右對稱[19]粘貼柔性薄膜壓力傳感器，用于測量和監(jiān)測握力情況，薄膜壓力傳感器信號通過STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理后，通過LED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示握力大小。同時(shí)，在微耕機(jī)皮帶輪上粘貼專用反光紙，并通過TM680型激光轉(zhuǎn)數(shù)表測量和監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 測試工況及流程

微耕機(jī)實(shí)際生產(chǎn)工作過程中，操作者會(huì)根據(jù)自身操作習(xí)慣及耕作需要改變其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及手柄握力，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同會(huì)造成振源激振頻率的變化，握力不同會(huì)直接造成手臂系統(tǒng)剛度的不同[20]。在試驗(yàn)正式開始前，統(tǒng)計(jì)了10名受試者操作微耕機(jī)時(shí)的握力范圍，分布在20～40 N。因此，為較全面分析轉(zhuǎn)速和握力對手傳振動(dòng)的影響機(jī)理，試驗(yàn)測試中將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分為低速、中速、高速三檔，握力分成輕、中、重三級，每位受試者均設(shè)置了9組試驗(yàn)工況，如表1所示。

表1 微耕機(jī)手傳振動(dòng)測試工況Tab. 1 Test conditions of hand-transmitted vibration of power tiller

為減少操作姿勢、環(huán)境變化等其他因素的影響，以上工況的試驗(yàn)測試一次性連續(xù)完成。該測試操作方法為：首先，在空檔運(yùn)行狀態(tài)下啟動(dòng)微耕機(jī)，受試者站立于微耕機(jī)扶手架中央，并將手柄抬至水平狀態(tài)。受試者通過監(jiān)測激光轉(zhuǎn)數(shù)表將微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至1 500 r/min，同時(shí)通過監(jiān)測薄膜壓力測試系統(tǒng)顯示屏將手柄握力調(diào)整為20 N，并保持該狀態(tài)30 s，接著將握力增大至30 N，并保持30 s，進(jìn)而將握力增大至40 N，同樣保持30 s；然后，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至2 500 r/min，按以上相同方法調(diào)整握力從20 N到30 N，再到40 N，并各保持30 s；最后，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至3 500 r/min，按以上相同方法調(diào)整握力。每輪試驗(yàn)測試完成后，以同樣方法進(jìn)行下一位受試者測試，直至10名受試者全部測量完成。

3 測試結(jié)果及分析

分別對9組工況下各傳感器采集的加速度時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，利用Matlab軟件對各時(shí)域信號進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算幅值譜，并計(jì)算每一個(gè)中心頻率的帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，得到各工況下的1/3倍頻程譜值。為減小隨機(jī)因素帶來的測試誤差，以下未特殊說明的結(jié)果數(shù)據(jù)均是對10位受試者測試數(shù)據(jù)取平均值后得出。

3.1 微耕機(jī)手柄振動(dòng)特性

微耕機(jī)手柄處的振動(dòng)是操作者手臂系統(tǒng)振動(dòng)激勵(lì)的來源，根據(jù)公式(1)，對手柄處的X、Y、Z軸三個(gè)方向振動(dòng)加速度均方根值進(jìn)行了分析，如圖3所示。比較各軸向振動(dòng)加速度峰值發(fā)現(xiàn)，微耕機(jī)手柄處Y軸方向振動(dòng)最大(發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行方向)，Z軸方向次之，X軸方向最小。

(a) 1 500 r/min, 20 N (b) 2 500 r/min, 20 N (c) 3 500 r/min, 20 N

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對手柄處振動(dòng)強(qiáng)度的影響較明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致手柄振動(dòng)強(qiáng)度增大；以30 N握力下Y軸有效加速度為例，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、2 500 r/min和3 500 r/min時(shí)，Y軸加速度有效值分別為4.38 m/s2，15.11 m/s2和19.31 m/s2。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，微耕機(jī)手柄處加速度頻域主要分布在20～200 Hz，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，該頻域呈現(xiàn)出整體向右(即向頻率增大方向)偏移的趨勢。

另外，對比同一轉(zhuǎn)速不同握力的曲線變化，發(fā)現(xiàn)手柄握力變化對手柄處X、Z軸方向振動(dòng)強(qiáng)度影響不明顯；握力增大時(shí)Y軸振動(dòng)加速度峰值有減小趨勢，即握力增大對于微耕機(jī)手柄Y軸方向振動(dòng)有一定抑制作用。

根據(jù)公式(2)，計(jì)算微耕機(jī)各轉(zhuǎn)速下不同握力時(shí)手柄處三軸向振動(dòng)加速度均方根值，如圖4所示。隨著微耕機(jī)轉(zhuǎn)速增加，手柄處三軸向振動(dòng)加速度均方根值與微耕機(jī)單軸向(圖3)變化規(guī)律一致，呈明顯增大趨勢，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，2 500 r/min和3 500 r/min時(shí)，加速度均方根峰值分別為6.52 m/s2，17.00 m/s2和21.34 m/s2。同樣發(fā)現(xiàn)，握力為40 N時(shí)其加速度均方根峰值比握力20 N和30 N時(shí)明顯小，也進(jìn)一步說明握力的增大使得對手柄振動(dòng)的約束作用增強(qiáng)。

(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min (b) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min (c) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r/min

3.2 操作者手部振動(dòng)特性

微耕機(jī)操作者手部是人機(jī)交互的連接部位和手臂系統(tǒng)的起點(diǎn)，對布置在受試者手背上的三向加速度傳感器各軸向的加速度有效值進(jìn)行分析，并按照公式(2)對加速度總均方根值進(jìn)行了計(jì)算，得出不同轉(zhuǎn)速不同握力下受試者手背振動(dòng)加速度特征如圖5所示。

(a) 1 500 r/min, 20 N (b) 2 500 r/min, 20 N (c) 3 500 r/min, 20 N

相同握力狀態(tài)下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)造成手部振動(dòng)強(qiáng)度明顯增大，這與手柄振動(dòng)規(guī)律一致；而在相同轉(zhuǎn)速下，隨著握力的增大，手部振動(dòng)表現(xiàn)出更多的特征：(1)X軸方向加速度有明顯增加，Y軸方向加速度略有增加，而Z軸方向加速度均方根值呈現(xiàn)出減小趨勢。證明握力的變化對手臂系統(tǒng)的剛度影響較大，握力的增大會(huì)造成手臂系統(tǒng)與微耕機(jī)扶手架的人機(jī)耦合振動(dòng)作用明顯，且在各方向上耦合機(jī)制不同；(2)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化綜合分析，低轉(zhuǎn)速下，握力變化對手部沿各坐標(biāo)軸方向加速度影響相對較小，中高轉(zhuǎn)速下，握力影響較大；(3)加速度均方根值隨著握力增大而明顯增加，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min時(shí)為例，在20 N、30 N、40 N握力下其均方根值分別為10.33 m/s2、13.35 m/s2、26.79 m/s2，分析表明，握力越大，手部吸收的振動(dòng)能量也越多。

3.3 手臂系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率

由于上臂和前臂肌肉等柔性組織厚度較大，手傳振動(dòng)測試中傳感器與柔性組織的振動(dòng)耦合作用會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響[21]，為盡量減小測量誤差，試驗(yàn)中選用了質(zhì)量較輕的單向傳感器用尼龍綁帶(圖2)固定在受試者腕部、肘部及肩部，傳感器方向指向Z軸。圖6給出了在發(fā)動(dòng)機(jī)中等轉(zhuǎn)速、中等握力下(即2 500r/min，30 N工況下)，其中一名受試者腕部、肘部及肩部對應(yīng)加速度有效值頻譜曲線。

(a) 腕部 (b) 肘部 (c) 肩峰

從圖6可以看出，腕部、肘部和肩部的振動(dòng)加速度有效值峰值分別為3.46 m/s2，0.61 m/s2，0.35 m/s2，由此得出，微耕機(jī)手傳振動(dòng)隨著傳遞距離的增加而逐漸衰減。比較各加速度峰值頻率，腕部為42 Hz，肘部和肩峰為21 Hz，可以推斷以中等握力操作微耕機(jī)時(shí)，手臂系統(tǒng)中手腕處固有頻率在40 Hz附近，而肘部至肩部固有頻率在20 Hz左右。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min下微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率為21 Hz，以上各部位出現(xiàn)振動(dòng)峰值及次峰值的頻率均為21 Hz的倍數(shù)，即振源振動(dòng)特性在微耕機(jī)手傳振動(dòng)中處于主導(dǎo)地位。為了進(jìn)一步研究排除振源干擾下的手臂系統(tǒng)振動(dòng)傳遞規(guī)律，需要分析手臂系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率。

根據(jù)公式(3)，計(jì)算各工況下手臂系統(tǒng)手背、腕部、肘部和肩峰處Z軸向的振動(dòng)傳遞率，如圖7所示。

(a) 1 500 r/min, 20 N (b) 3 500 r/min, 20 N (c) 1 500 r/min, 30 N

在4～20 Hz頻率范圍，手部、腕部及肘部的振動(dòng)傳遞率普遍大于1，即對振動(dòng)有放大作用；隨著頻率增加，振動(dòng)傳遞率曲線呈現(xiàn)整體下降趨勢，當(dāng)頻率大于100 Hz時(shí)，腕部以上手臂系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率降至0.1以下。以上結(jié)果表明，手臂系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞對低頻部分更敏感，對振動(dòng)起到類似低通濾波器作用，其截止頻率約為100 Hz。

從圖7可以看出，對比相同握力、不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)傳遞率發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)3 500r/min轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)傳遞率峰值相比于1 500 r/min時(shí)整體略有下降。例如在1 500 r/min、20 N時(shí)，手部、腕部、肘部最大振動(dòng)傳遞率分別為5.8、5.5、3.9，而同樣握力3 500 r/min時(shí)，以上各部位對應(yīng)最大振動(dòng)傳遞率分別為3.2、3.9、3.8，也進(jìn)一步證明了手臂系統(tǒng)更傾向于對于低頻振動(dòng)的傳遞。對比相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同握力下的振動(dòng)傳遞率發(fā)現(xiàn)，隨著握力的增大，振動(dòng)傳遞率峰值整體略有下降；當(dāng)握力增大至40 N時(shí)，振動(dòng)傳遞率在5～20 Hz范圍內(nèi)相對波動(dòng)很小，這可能是隨著握力增大，手臂系統(tǒng)剛度增加，振動(dòng)傳遞變得相對連續(xù)和均勻。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開展了微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)激振狀態(tài)下手傳振動(dòng)試驗(yàn)，運(yùn)用振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)傳遞率等評價(jià)方法重點(diǎn)分析了握力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速這兩類操控因素影響下的微耕機(jī)手傳振動(dòng)特性。

1) 微耕機(jī)扶手架手柄振動(dòng)頻域主要分布在20～200 Hz，其振動(dòng)強(qiáng)度受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及握力影響均較大。微耕機(jī)扶手架與操作者手臂系統(tǒng)有一定振動(dòng)耦合作用，尤其在Y向(豎直方向)表現(xiàn)明顯，這種耦合作用會(huì)隨著操作者握力增大而更加明顯。

2) 手臂系統(tǒng)各分段部位對微耕機(jī)振動(dòng)激勵(lì)的響應(yīng)表現(xiàn)出較大差異。手部的振動(dòng)最大，隨著傳遞距離的增加，腕部、肘部、肩部的振動(dòng)加速度峰值逐漸減小。隨著握力的增加，會(huì)造成手部振動(dòng)加速度明顯增大，同時(shí)會(huì)造成手臂系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)更加連續(xù)和均勻，即傳遞振動(dòng)的能力增強(qiáng)。

3) 在微耕機(jī)扶手架至手臂系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞路徑上，對4～20 Hz低頻激勵(lì)部分有一定放大作用，而對于頻率大于100 Hz的振動(dòng)激勵(lì)，手臂系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞會(huì)迅速衰減，手臂系統(tǒng)在微耕機(jī)手傳振動(dòng)中表現(xiàn)出了低通濾波器效果。

4) 為減小手臂系統(tǒng)對微耕機(jī)手傳振動(dòng)能量的吸收，建議操作者在使用微耕機(jī)過程中，在滿足工作要求時(shí)應(yīng)使用相對輕低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和較輕握力；在設(shè)計(jì)微耕機(jī)減振裝置時(shí)，應(yīng)使減振器有效降低100 Hz以下的低頻振動(dòng)的傳遞。