工作场所手传振动的测量与评估*——以割草机和绿篱机为例

吴明忠，杨 帆

(华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361021)

0 引言

手臂振动病(Hand-arm vibration disease, HAVD)是长期从事手传振动作业而引起的以手部末梢循环和/或手臂神经功能障碍为主的疾病，并能引起手臂骨关节-肌肉的损伤，发病部位多在上肢末端，其典型表现为发作性手指变白[1]。手臂振动病已成为工业/农业国家一种常见的职业病，目前在很多行业已发现手臂振动病，主要有矿业、林业、制造业、建筑业、农业和交通运输业等，而且近几年有学者也对鼓手、牙医、骑行族等进行手传振动的研究[2-11]。手臂振动病的发病机制尚未明确，而且没有特效的药物和治疗方法，因此应以预防为主[12]。

为了绿化城市，改善人居生态环境，住房城乡建设部于2016年10月28日印发了《国家园林城市系列标准》，规定了城乡的绿化覆盖率，其中草坪植被和常绿苗木是园林景观的重要组成部分，如图1所示。为此，需要定期进行修剪，而割草机和绿篱机是修剪草坪、树篱和常绿苗木的主要工具，如图2和图3所示。随着城乡绿化覆盖率要求的提高，该行业作业人员人数必将增加，包括从事割草和修枝的作业人员。国外已有研究表明，使用割草机也会导致出现手臂振动病，患病率高达36.3%[13]。从已有文献看，我国虽然未发现使用割草机或绿篱机的作业人员出现手臂振动病的报道，也未发现有关割草机、绿篱机的手传振动测量和评估的研究报告。但该行业却存在手臂振动病职业危害的风险。为了更好地了解割草机和绿篱机对作业人员造成的手传振动危害，进而有效预防该行业手臂振动病的出现，本文对该行业作业人员主要接触的手传振动工具——割草机和绿篱机，进行手传振动测量、分析和评估，为相关职业手臂振动病防护措施的制定和动力工具的改进设计提供必要的数据参考。该研究也有助于相关作业人员和相关单位部门更多了解手传振动所致的职业危害，以提前采取必要的防护措施，切实保障劳动者的职业健康权益，同时也为个人和单位减少不必要的经济损失。

图1 景观绿化Fig.1 Landscape planting

图2 割草机Fig.2 Grass trimmer

图3 绿篱机Fig.3 Hedge trimmer

1 手传振动的测量

1.1 测量仪器

使用杭州爱华仪器有限公司的AWA 6258多功能振动分析仪和AWA 84152A三轴向传感器。该仪器通过配置不同的软件模块可以实现对手传振动、全身振动的3个轴向同时测量，符合GB/T 23716-2009(ISO 8041：2005，IDT)《人体对振动的响应测量仪器》的标准要求[14]，如图4所示。

图4 多功能振动分析仪Fig.4 Multi-Functional vibration analyzer

1.2 测量方法

在工作场所，根据GB/T 14790(ISO 5349：2001，IDT)[ 15-19]的要求进行测量。测量的方向应根据ISO 8727规定的基本中心坐标系和生物动力学坐标系确定[20]，如图5所示。传感器牢固地安装在靠近工具手柄的手握区域，且不影响作业人员的正常工作。传感器在手柄上的安装位置和方向，如图6所示。

图5 手的坐标系Fig.5 Coordinate system of the hand

图6 传感器的安装位置Fig.6 Installation positions of sensors

1.3 振动总值

手传振动幅值一般用频率计权加速度的均方根(rms，单位m/s2)来描述。频率计权因子应符合 GB/T 23716-2009规定。ISO 5349-1:2001规定了振动暴露评价是基于振动总值ahv，即3个正交轴向频率计权加速度分量均方根平方和的方根，见式(1)所示；单轴向频率计权加速度均方根值ahw，按式(2)计算；如果工作日由一些不同振动幅值的作业组成的总日振动暴露，则振动总值ahv由式(3)得出。

(1)

式中：ahwx,ahwy,ahwz分别是x，y，z轴频率计权加速度均方根值，单位m/s2。

(2)

式中：Whi表示第i个1/3倍频程的计权因子；ahi表示第i个1/3倍频带测得的均方根加速度，单位m/s2。

(3)

式中：ahvi表示第i次操作的振动总值；Ti表示第i次操作的持续时间；T表示相对于振动总值ahv的日暴露总时间。

1.4 测量对象

本次测量中涉及从事该行业的作业人员有6名，均为男性，年龄在30～60岁之间，工龄至少在1 a以上。本次测量中涉及的割草机都是侧挂式、U型双手柄的汽油割草机，如图2所示。割草方式有2种：刀片和打草绳，如图7所示。刀片主要用于修剪草坪较为稠密、地面平整、没有碎石的场所；打草绳用于修剪草坪较为稀疏、有碎石、地面凹凸不平、路牙边和石头缝等场所，打草绳可以降低修剪中扬起的小石块或其他硬物对作业人员和周边人员造成的伤害，并且可以降低对周边环境的破坏程度，打草绳还可以保证修剪非平整地面草坪的整齐度。本次测量中涉及的绿篱机都是手持式单刃汽油绿篱机，整体结构基本一致，如图3所示。

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

根据GB/T 14790要求，为了更好地反应评价特定作业人员的振动暴露，应至少对3个不同作业人员进行手传振动测量。鉴于此本次选择3个不同作业场所的割草机和绿篱机进行测量，这3个作业场所分别为：某小区、某城市景观绿化带和某学校，3个作业场所所采用的割草机和绿篱机的相关参数见表1和表2。

表1 割草机的相关参数Table 1 Relevant parameters of grass trimmer

表2 绿篱机的相关参数Table 2 Relevant parameters of hedge trimmer

1.5 测量结果

本次测量了割草机和绿篱机在空转和作业情况下的频率计权加速度，而且包含左右手握持部位测量的结果。每次测量时间至少30 s，在左右手握持部位上各测量3次。这样的测量结果更能表示作业人员在作业期间接触的手传振动特性，因为作业人员在实际的作业期间都会不断的调整作业的位置或操作的姿势，这期间的动力工具就是处在空转和作业2种工况不断交替的状态下，测量结果见表3和表4，表中的平均值是等效振动总值多次测量结果的算术平均值。

表3 割草机频率计权加速度Table 3 Frequency-weighted acceleration of the grass trimmer (m/s2)

表4 绿篱机频率计权加速度Table 4 Frequency-weighted acceleration of the hedge trimmer (m/s2)

2 手传振动危害评估和防护

2.1 日暴露限值

欧盟议会发布的欧盟振动指令2002/44/EC[21]和美国国家标准ANSI S2.70：2006[22]，都明确规定振动日暴露作用值为2.5 m/s2和日暴露极限值为5.0 m/s2。这些值已经被美国和其他国家的医学专家、科学家、工程师、研究所和工业所普遍接受[23]。当工人暴露于手传振动作业的振动总值在限值以内时，他们患手臂振动病的可能性将减小。

我国GBZ2.2-2007规定了手传振动4h等能量频率计权加速度的职业接触限值为5 m/s2[24]。为了便于对不同作业时间的日暴露量进行比较，日振动暴露量应采用8 h等能量频率计权振动总值ahv(eq,8h)表示，简化记为A(8)。我国标准采用4 h等能量频率计权振动总值ahv(eq,4h)表示，简化记为A(4)，A(4)可以通过公式(4)换算为A(8)[16]。

(4)

式中：T表示相对于振动总值ahv的日暴露总时间；T0为8小时的参考时间。

我国的手传振动职业接触限值A(4)=5 m/s2到A(8)的换算如下：

因此，我国的日暴露极限值A(8)=3.5 m/s2。

2.2 割草机和绿篱机的A(8)值与结果分析

通过与本次测量涉及的作业人员面谈了解到，他们一天工作时间一般是7～8 h，扣除人和机器的休息时间，作业人员平均每天接触手传振动的时间约6 h。现将表3和表4中的等效振动总值的平均值代入公式(4)得8 h等能量频率计权振动总值，结果见表5。该结果与Azmir的测量结果A(8)值为2.1～29.1 m/s2较为相似[13]。

从表1～5可见，3个不同场所的A(8)值差异较大，但都超过了我国的日暴露极限值3.5 m/s2。其中学校使用的割草机的A(8)平均值最大(达到了21.36 m/s2)，而小区的A(8)平均值最小(为4.03 m/s2)，但在学校和景观带测量的振动总值较为接近，小区测量的振动总值较小，与小区使用的割草机的转速较低有关；在城市绿化景观带使用的绿篱机的最大振动总值为48.24 m/s2，而最小振动总值与学校的差不多，景观带绿篱机的振动总值平均值明显大于学校和小区的，是因为在测量景观带绿篱机时让作业人员将油门加到最大的缘故。这些测量数据的差异与机器品牌、工况、实际输出功率、作业人员个体差异和传感器的安装位置有关。另外作业人员对机器操作的方式和习惯的不同，会影响人机的耦合特性，这也是造成测量结果差异的原因之一。诚然，割草机和绿篱机的振动总值是从3个不同的工作场所测量的，涉及不同的作业人员和不同品牌的动力工具，但这样的测量结果对该工种、该行业的手传振动测量和评估更具有普遍性意义。

2.3 危害评估

评价暴露人员中的10%发生手指变白的日振动暴露量A(8)与累计暴露时间Dy的关系，如式(5)和图8所示，该公式可用来规定职业暴露人群中手传振动健康危险的暴露标准。

Dy=31.8[A(8)]-1.06

(5)

式中：Dy表示人群平均总的(累计)暴露时间，单位为a[16]。

将3个场所测量的A(8)值代入公式(5)得Dy，见表5所列，也就是预期分别经过1.8～8.5 a和1.9～5.2 a后，暴露于作业割草机和绿篱机工种人群的10%以上将出现振动性白指。无论采用打草绳还是刀片，虽然对空转下的振动总值有影响，但在作业情况下，主要与所要修剪的草坪的疏密、实际输出的功率等有关。

表5 A(8)与DyTable 5 A(8) and Dy

图8 暴露人群中预期振动性白指10%的振动暴露量Fig.8 Vibration exposure amount for predicted 10% prevalence of vibration-induced white finger in exposure population

2.4 个体防护

在手传振动个体防护方面，从事割草的作业人员仅佩戴了普通的劳保手套——棉纱手套。而绿篱机由于手柄上套有海绵套，因此修枝的作业人员普遍未采取任何防护措施。根据以上测量结果，这2个工种的作业人员应该采取必要的防护措施以降低手传振动的危害，如采用减振手套或者采用A(8)小于欧盟振动指令规定的振动作用值2.5 m/s2的动力工具。但从现有的情况来看，较为有效的方法应该是减少作业时间。日暴露时间T是将A(8)=2.5 m/s2，表3和表4的振动总值平均值ahv以及T0=8 h代入公式(4)求得的，结果见表6和表7所列。即3个不同工作场所的作业人员应该将每日接触振动的时间控制在表6或表7的时间T之内，以有效降低或避免手臂振动病的出现。

表6 割草机日暴露时间TTable 6 Daily exposure time of grass trimmer

表7 绿篱机日暴露时间TTable 7 Daily exposure time of hedge trimmer

3 结论

1)根据手传振动的相关标准进行手传振动测量和评估，结果表明割草和修枝工种涉及的动力工具的A(8)值已严重超出国家标准规定的振动限值3.5 m/s2，预计分别经过1.8～8.5 a和1.9～5.2 a后暴露人员中的10%以上将出现振动性白指。所以应该改进动力工具或改用振动幅值不超过振动限值的动力工具，或采取必要的防护措施(如减振手套)以降低振动总值，或减少每日的作业时间。为了有效降低或避免该行业作业人员手臂振动病的出现，割草机和绿篱机的日暴露时间分别控制在2.6 h和2.7 h以内。

2)我国现行的手传振动相关标准主要是等同采用ISO的标准，国外的标准并不完全适用于我国。因此，制定符合我国国情或适用于我国特定人群的相关标准尤为重要，而这些标准的制定需要一定数量的试验数据，可是我国在这些方面的研究数据缺失，因此今后应该加强在手传振动测量方面的研究。