【摘要】：手傳振動是危害振動機具作業(yè)人員身心健康的重要因素之一,特別是農(nóng)機裝備作業(yè)人員接觸的振動強度大,暴露時間長,手傳振動問題更是尤為突出。作業(yè)人員長期接觸手傳振動,不僅會影響其手部末梢血液循環(huán),而且還會造成人體上肢關節(jié)、肌肉以及結(jié)締組織的損傷,嚴重者甚至會引起手臂振動病。因此,必須對機具手傳振動進行有效控制,最大限度地減少振動對人體健康及手臂系統(tǒng)的不良影響。本研究主要圍繞國家自然科學基金項目“農(nóng)機裝備作業(yè)人員手臂振動生物力學模型及動態(tài)響應特性研究”展開,在研究手臂生物力學特性、手傳振動評價體系及振動理論的基礎上,以手扶插秧機作業(yè)人員手臂為研究對象,綜合現(xiàn)有的手傳振動評價體系,對機具手傳振動暴露量進行評估,對人體手臂振動響應與傳遞特性進行測試分析,相關研究結(jié)果可為作業(yè)人員手臂振動防護提供一定的參考依據(jù)。然后,以人體手臂CT掃描圖像為數(shù)據(jù)基礎,采用Mimics、Geomagic Studio、Creo、Hypermesh以及Abaqus軟件相結(jié)合的方式,構(gòu)建人體手臂生物力學與有限元分析模型,并以此為基礎,分別對人體手部和手臂整體進行有限元模態(tài)分析,計算手臂的固有振動特性。最后,對手部抓握手柄時振動在人體手臂的傳遞過程進行動力學仿真,通過對手臂進行穩(wěn)態(tài)動力學分析,計算分析手臂各測點的振動響應與傳遞特性,并將仿真分析結(jié)果與前期試驗及模態(tài)分析結(jié)果進行對比,結(jié)果表明,仿真分析與振動測試及模態(tài)分析結(jié)果具有較好的一致性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)對手扶插秧機手柄的手傳振動與手臂振動傳遞特性進行測試分析與評價。本研究主要根據(jù)ISO 5349-1:2001評價標準對插秧機手柄的手傳振動進行測試與評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn),插秧機作業(yè)人員手臂振動8 h暴露量為2.442 m/s~2,接近但并未超過歐盟指令規(guī)定的作用值2.5 m/s~2,引發(fā)手傳振動病的風險比較低,但是考慮到手扶插秧機并未全速運轉(zhuǎn),常年操作該插秧機的機手仍需注意防范手臂振動病的風險。此外,本研究還對插秧機的手柄及人體手臂不同位置進行了振動響應測試與分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在怠速狀態(tài)和作業(yè)工況,傳遞到上臂測點處各軸向的振動加速度明顯低于手背和小臂兩個測點的振動,說明絕大部分振動能量在傳遞到人體肩關節(jié)之前已被小臂和手部吸收。對作業(yè)人員手臂振動傳遞特性進行測試分析發(fā)現(xiàn),插秧機手柄處的振動傳遞到手臂上時,振動呈逐漸衰減的趨勢。振動由手柄傳遞到小臂測點時在25 Hz附近出現(xiàn)共振。在x、y方向,手掌對小于25 Hz低頻振動能量吸收較差;而在z方向,手掌對100 Hz左右的中頻成分振動能量吸收較差。考慮到人體手部對振動最敏感的頻率范圍為8-16 Hz,正好在該低頻范圍之內(nèi),因此應將小于25 Hz,尤其是8-16 Hz的低頻振動作為今后的研究重點。減振手套對80Hz以下的振動具有較好的減振效果,因此實際作業(yè)過程中可考慮采用減振手套。此外,手腕對振動能量的吸收最多,為避免引發(fā)手傳振動病和關節(jié)損傷,針對腕部的減振措施也極為重要,操作手扶式農(nóng)機具時應佩戴護腕。(2)建立了人體手臂生物力學有限元分析模型。以中國成年男性人體手臂的CT掃描圖像為數(shù)據(jù)基礎,采用Mimics、Geomagic Studio、Creo、Hypermesh以及Abaqus軟件相結(jié)合的方式,創(chuàng)新地建立了包含軟組織、骨骼以及關節(jié)韌帶的人體手臂生物力學有限元模型。模型將骨骼定義為線彈性材料,皮膚和皮下組織等軟組織定義為超彈性和粘彈性材料。根據(jù)手臂解剖學結(jié)構(gòu)關系,采用共節(jié)點的方式對骨骼和軟組織進行網(wǎng)格劃分,但是,為解決手指彎曲中單元的大位移導致的過度扭曲單元問題,建模過程中還對手部關節(jié)處的網(wǎng)格進行了加密與細化。此外,模型分別采用鉸連接方式與線性彈簧模擬指關節(jié)和關節(jié)韌帶。(3)對人體手臂系統(tǒng)的固有振動特性、振動響應以及傳遞特性進行了仿真分析與研究。研究主要采用分塊Lanczos法分別對人體手部與手臂整體進行有限元模態(tài)分析,分別提取其前6階振動模態(tài)。觀察手臂各階模態(tài)發(fā)現(xiàn),手指部位的振動位移最大,尤其是在一階固有頻率,手指的振動幅度最大,說明在振動過程中手指部位最易產(chǎn)生振動載荷的積累,此結(jié)果與試驗研究及文獻所提供的結(jié)果具有較好的一致性,說明所建立的模型是準確可靠的。不僅如此,本研究還對手部抓握手柄時振動在人體手臂的傳遞過程進行了動力學仿真,通過對手臂進行穩(wěn)態(tài)動力學分析,計算分析手臂各測點的振動響應與傳遞特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),手部在接觸5-10 Hz與35-40 Hz的振動時會出現(xiàn)幅值增大現(xiàn)象,即產(chǎn)生共振,易造成關節(jié)和軟組織的疲勞損傷。因此,在握持振動手柄作業(yè)時,應盡量避免5-10 Hz與35-40 Hz的振動直接接觸手部。
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S223.91
【圖文】：

圖 2-2 肱骨（柏樹令 2010）Fig. 2-2 Humerus鈴形長骨，主要由肱骨體和上下兩端組成，上盂相關節(jié)，下端微向前方彎曲，彎曲部分由肱成，肱骨小頭前上方有橈窩。肱骨頭周圍的環(huán) 45°角，而肱骨頭的外側(cè)和前方分別為大、小外科頸，此處為骨骼中松質(zhì)骨和密質(zhì)骨的分界。

圖 2-2 肱骨（柏樹令 2010）Fig. 2-2 Humerus肱骨，啞鈴形長骨，主要由肱骨體和上下兩端組成，上端為膨大，與關節(jié)盂相關節(jié)，下端微向前方彎曲，彎曲部分由肱骨小頭、肱外上髁組成，肱骨小頭前上方有橈窩。肱骨頭周圍的環(huán)狀淺溝被平面約成 45°角，而肱骨頭的外側(cè)和前方分別為大、小結(jié)節(jié)。大的部分是外科頸，此處為骨骼中松質(zhì)骨和密質(zhì)骨的分界位置，皮造成骨折。

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