Πειραματικός προσδιορισμός των δονήσεων και του θορύβου στο θάλαμο χειρισμού και οι επιπτώσεις τους στην υγεία των χειριστών των γεωργικών ελκυστήρων και μηχανημάτων εκτός δρόμου

Abstract

This thesis presents a study where the characteristics of the mechanicaland acoustic vibrations inside the operator's cabin of tractors were defined andrecorded.The experimental tests for the mechanical vibrations were made duringagricultural works. The mechanical vibrations are produced by the engine's operation,the tyres' pressure and their general condition, the trailed agriculturalmachinery and other important sources.The mechanical vibrations are initially transferred by the wheels or theengine to the tractor's frame (structure borne noise) and afterwards into the operator'scabin, to the driver's seat and to the various control levers.The acoustic vibrations (noise) are also transferred into the operator'scabin by the aforementioned sources (airborne noise) and they lead -along withthe mechanical vibrations- to the increase of fatigue and health problems of theoperators.The present thesis consists of two parts; the part of the mechanical and thepart of the acoustic vibrations.Experimental tests were effected in both parts, in real working conditions,during which the intensities of the vibrations were recorded in relation to theirfrequencies inside the operator's cabin and mostly at the operator's seat.The aims of the thesis were:a) To record and analyse in real working conditions the intensities of the mechanicalvibrations (m/s2) that are transmitted to the operator's seat in the threedirections x,y,z, in relation to their frequencies in Hz.b) To define the Vibration Dose per day (VDd) (m/s2), as well as the AcceptableWorking Hours per Day (AWHd) of the operators, taking into account theinternational standards set for the safety of the operators of agricultural tractorsand off-road machinery.c) To define based on statistical analysis the interactions and correlations of the mechanical vibrations between the agricultural tractors, their speed, the agriculturalmachinery as well as the cultivation directions in the case of ploughing.d) To record and analyse in real working conditions the intensities of theacoustic vibrations dB(A) near the operator's ears in relation to their frequenciesin Hz, in motion onto an asphalted road, and to define the AcceptableWorking Hours per Day (AWHd).e) To define –based on statistical analysis– the interactions and correlations ofthe acoustic vibrations between the agricultural tractors, their speed, the enginerevolutions, the cabins, in open or closed doors, in halt or in motion.The aforementioned experimental tests showed the consequences of thedaily fatigue from both the mechanical and the acoustic vibrations to the operators'health.These tests were performed in the farm of the Technological EducationalInstitute (TEI) of Larissa. The tests of the mechanical vibrations were made inan agricultural plot of 30 stremmas (i.e.3 hectares) total surface, whose sidewas 200m long and the soil's composition a combination of sand, clay andloam (SCL).The mechanical equipment used for the mechanical vibrations was the following:a) Three tractors: a1) Lamborghini R6 130, of 126 Hp, a2) Hurlimann H 6115,of 115 Hp and a3) Lamborghini 950, of 95 Ηp.b) Three agricultural machines: b1) Reversible Three-Bottom Plough, b2) DiscHarrow and b3) Final Preparation Cultivator with flexible spring tines.c) Accelerometers, type AS-065, that were placed below the operator's seat inorder to detect the vibrations in three different directions, the axes x,y,z.d) A recording device, Vibrotest 60 of Bruel & Kjaer Vibro Company, in orderto collect the vibration values of the accelerometers in the three dimensions, x,yand z. The mechanical equipment used for the acoustic vibrations was the following:a)Three tractors: a1) Renault 361, without an operator's cabin, a2) Renault 461,with an operator's cabin of old technology, and a3) Lamborghini R6-130 withan operator's cabin of new technology.The acoustic tests (of noise) were performed while the tractors were movingonto an asphalted road 700m long in the farm of the TEI of Larissa.The values of the acoustic vibrations (i.e. of noise) and their frequency inHz were recorded by the Bruel & Kjaer sound level meter (type 2250), whichuses the range dB(A). The sound level meter was placed near the right and leftear of the operator, in halt or in motion of the tractor, in different numbers ofthe engine's revolutions, in different speeds, with open and closed doors.The general results of the mechanical vibrations tests are as follows:a) The acceptable working hours per day for operators that use the reversiblethree-bottom plough may be more than eight (8), with no consequenceson their health.b) The acceptable working hours per day for operators that use a disc harrowmay be: b1) 4 hours and 25 minutes, when the tractor moves vertically inrelation to the ploughing at 5.0 km/h speed. b2) 1h and 10 min at 8.0 km/hspeed and b3) 6h and 30 min when the tractor moves in a 30o angle in relationto the ploughing at 5.0 km/h speed, b4)1h and 34min at 8.0 km/h speed.c) The acceptable working hours per day for operators that use the finalpreparation cultivator at all speeds may be more than eight (8), with no consequenceson their health.The correlation results showed that:1) The greatest effect of the mechanical vibrations in the horizontal longitudinaldirection (Xmax) among: a) tractors, recorded Lamborghini premium950. Lamborghini R6-130 and Hurlimann 6115 hold the second and third positionrespectively; b) tools, to the plough and then to the disc harrow and thecultivator; c) the tools in correlation with the speed, to the plough at 8km/hspeed. The cultivator at 12km/h speed and the disc harrow hold the second andthird position respectively. 2) The greatest effect of the vibrations developed in the cross longitudinaldirection (Ymax) among a) tractors, recorded Lamborghini Premium 950.Lamborghini R6-130 and Hurlimann 6115 hold the second and third positionrespectively; b) tools, to the disc harrow and then to the plough and the cultivator,c) the tools in correlation with the tractors, to the disc harrow with LamborghiniPremium 950. The second and third positions are held by the ploughwith Lamborghini R6-130 and the cultivator with Lamborghini Premium 950respectively.3) The greatest effect of the vibrations developed in the vertical direction(Zmax) among: a) tools, is recorded to the disc harrow and then to the ploughand the cultivator; b) the tractors in correlation with the tools, to the disc harrowwith all tractors; c) the tools in correlation with speed, to the disc harrowat 8.0 km/h. The plough at 8.0km/h speed and again the plough at 5.0 km/hspeed holds the second and third position respectively.The general results from the acoustic vibrations tests are as follows:A. Tractor Renault 361, without an operator's cabin.a) The noise intensity at every test, both in motion and in halt, exceeded thelegal limits.b) When the tractor was moving on the asphalted road, a 5% increase of thenoise intensity was recorded for every increase of the engine's revolutionsfrom min-mean-max.c) During the engine's operation, the tractor being halted, a 7% increase ofthe noise intensity was recorded for every increase of the engine's revolutionsfrom min-mean-max.Β. Tractor Lamborghini R6-130, with an operator's cabin of new technology.a) The maximum reduction of noise, the tractor being in motion with the doors closed, was 21,2% compared to the tractor being in motion with thedoors open. When the tractor was in halt, the noise reduction reached15%.b) The highest noise intensity was recorded at 1500 rpm, in motion in the 5thand 6th gear ratio and in the same number of the engine's revolutions inhalt.c) The lowest noise intensity 81,91dB (A) was recorded in motion in 6thgear, at 2200 rpm, with the doors closed; on the other hand, the highestnoise intensity 105,95 dB(A), was recorded in the 6th gear, at 1500 rpm,with the doors open.d) The lowest noise intensity 76,02 dB (A) was detected in halt, at 1000rpmand with the doors closed.Γ. Tractor Hurlimann 6115, with an operator's cabin of old technology.a) The noise intensity, the tractor being in motion with the doors closed andthe engine's revolutions being from min - mean -max, in the 5th and 6thgear, was in all cases higher than when the doors were open.b) The noise intensity exceeded the legal limits according to directive in allcases of the tests.c) When the tractor is in motion in the 6th gear at 1500 rpm with the doorsclosed, the noise intensity was recorded 6,8% higher than when the doorswere open.Conclusionsa) During the ploughing with the 3-bottom plough and during the soil cultivationwith the disc harrow, the highest values of the vibrations' accelerationsto the operator's seat appeared at the vertical axis (Ζ) at a 100% rate.b) During the soil cultivation with the Final Preparation Cultivator, the highestvalues of the vibrations' accelerations in the operator's seat appeared atthe horizontal level and in particular at the same rate –50% – both at thelongitudinal direction (X) and at the cross direction (Y). c) The intensities of the mechanical and the acoustic vibrations in the tractorswith cabins of new technology are much lower than those in the tractorswith cabins of old technology.d) The intensities of the acoustic vibrations in tractors with cabins of newtechnology are significantly lower when working with closed doors thanthose in the cases of the open doors.e) The intensities of the acoustic vibrations in tractors of old technology arehigher in the cases of working with closed doors than in the cases ofworking with open doors.Finally, the operators of tractors of old technology, with or without cabins,must always take safety measures to protect their health against mechanicaland acoustic vibrations.

Στη διδακτορική αυτή διατριβή γίνεται μελέτη προσδιορισμού και κατα-γραφής των χαρακτηριστικών μεγεθών των μηχανικών και ακουστικών δονή-σεων στο θάλαμο χειρισμού των ελκυστήρων.Οι πειραματικές δοκιμές των μηχανικών δονήσεων πραγματοποιήθηκανκατά τη διάρκεια των αγροτικών εργασιών. Οι μηχανικές δονήσεις προέρχο-νται από τη λειτουργία της μηχανής, από την κατάσταση και την πίεση των ε-λαστικών επισώτρων, από τα παρελκόμενα γεωργικά μηχανήματα και από άλ-λους σημαντικούς παράγοντες.Οι μηχανικές δονήσεις μεταφέρονται αρχικά από τους τροχούς ή τη μη-χανή στο πλαίσιο του ελκυστήρα (δομόφερτος θόρυβος) και στη συνέχεια στοθάλαμο χειρισμού, στο κάθισμα του χειριστή και στα διάφορα χειριστήρια ε-λέγχου.Οι ακουστικές δονήσεις (θόρυβος) μεταφέρονται επίσης στο θάλαμο χει-ρισμού από τις προαναφερόμενες πηγές (αερόφερτος θόρυβος) και μαζί με τιςμηχανικές επιδρούν στην αύξηση της κόπωσης και των προβλημάτων υγείαςτων χειριστών.Η παρούσα διατριβή αποτελείται από δυο ενότητες, την ενότητα των μη-χανικών και των ακουστικών δονήσεων.Σε κάθε ενότητα πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές, σε πραγμα-τικές συνθήκες εργασίας, στις οποίες κατεγράφησαν οι εντάσεις των δονήσεωνσυναρτήσει των συχνοτήτων τους στο θάλαμο χειρισμού και κυρίως στο κάθι-σμα του χειριστή.Οι σκοποί της εργασίας ήταν:α) Nα καταγραφούν και να αναλυθούν σε πραγματικές συνθήκες εργασί-ας οι εντάσεις των μηχανικών δονήσεων (m/s2), στο κάθισμα του χειριστή στιςτρεις διευθύνσεις x,y,z, συναρτήσει των συχνοτήτων τους σε Hz.β) Να προσδιοριστούν οι Ημερήσιες Δόσεις Δονήσεων (ΗΔΔ) (m/s2), κα-θώς και οι Ημερήσιες Επιτρεπόμενες Ώρες Εργασίας (ΗΕΩΕ), των χειριστών,λαμβάνοντας υπόψη τα διεθνή όρια που εφαρμόζονται για την υγεία και την ασφάλεια των χειριστών, γεωργικών ελκυστήρων και μηχανημάτων εκτόςδρόμου.γ) Να προσδιοριστούν με τη βοήθεια της στατιστικής ανάλυσης οι αλλη-λεπιδράσεις και οι συσχετίσεις των μηχανικών δονήσεων, μεταξύ των γεωργι-κών ελκυστήρων, των ταχυτήτων, των γεωργικών μηχανημάτων καθώς καιτων διευθύνσεων κατεργασίας σε σχέση με την άροση.δ) Να καταγραφούν και να αναλυθούν σε πραγματικές συνθήκες εργασί-ας οι εντάσεις των ακουστικών δονήσεων dΒ(Α), κοντά στα αυτιά του χειριστήσυναρτήσει των συχνοτήτων τους σε Hz, κατά τη διάρκεια κίνησης σε ασφαλ-τόδρομο και να προσδιοριστούν οι Ημερήσιες Επιτρεπόμενες Ώρες Εργασίας(ΗΕΩΕ).ε) Να προσδιοριστούν, με τη βοήθεια της στατιστικής ανάλυσης, οι αλλη-λεπιδράσεις και οι συσχετίσεις των ακουστικών δονήσεων, μεταξύ των γεωρ-γικών ελκυστήρων, των ταχυτήτων, των στροφών της μηχανής, των θαλάμων,με πόρτες ανοιχτές και κλειστές, σε στάση και σε κίνηση.Από τις παραπάνω πειραματικές δοκιμές προσδιορίστηκαν οι επιπτώσειςστην υγεία των χειριστών που προέρχονται από την ημερήσια κόπωση τους,τόσο από τις εντάσεις των μηχανικών όσο και των ακουστικών δονήσεων.Οι πειραματικές δοκιμές δονήσεων μηχανικές και ακουστικές πραγματο-ποιήθηκαν στο αγρόκτημα του ΤΕΙ/Λάρισας. Οι πειραματικές δοκιμές των μη-χανικών δονήσεων πραγματοποιήθηκαν σε αγροτεμάχιο 30 στρεμμάτων μεμήκος πλευράς 200m, και σύνθεση αμμοαργιλoπηλώδη (SCL).Ο μηχανικός εξοπλισμός για τις μηχανικές δονήσεις ήταν:α) Τρεις ελκυστήρες: α1) Lamborghini R6 130, ισχύος 126 ΗP, α2) HurlimannH 6115, ισχύος 115 ΗP και α3) Lamborghini 950 ισχύος 95 ΗP.β) Τρία γεωργικά μηχανήματα: β1) Άροτρο τρίυνο αναστρεφόμενο, β2)Δισκοσβάρνα, και β3) Καλλιεργητής τελευταίας προετοιμασίας με εύκαμπταελατηριωτά υνάκια.γ) Επιταχυνσιόμετρα, τύπου AS-065, τοποθετήθηκαν στο κάτω μέρος τουκαθίσματος του χειριστή, για τη λήψη των δονήσεων σε τρεις διαφορετικές δι-ευθύνσεις στους άξονες x,y,z. δ) Συσκευή καταγραφής των τιμών των δονήσεων από τα επιταχυνσιόμε-τρα στις τρεις διευθύνσεις x,y,z, της εταιρίας Bruel & Kjaer vibro, τύπου Vibrotest60.Ο μηχανικός εξοπλισμός για τις ακουστικές δονήσεις ήταν:α) Τρεις ελκυστήρες: α1) Renault 361 χωρίς θάλαμο χειρισμού, α2)Renault 461 με θάλαμο χειρισμού παλαιάς τεχνολογίας και α3) LamborghiniR6-130 με σύγχρονο θάλαμο χειρισμού.Οι ακουστικές δοκιμές (θορύβου) πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκειατης κίνησης των ελκυστήρων σε ασφαλτόδρομο μήκους 700m, στο αγρόκτηματου ΤΕΙ/Λάρισας.Οι τιμές των ακουστικών δονήσεων (θορύβου) ελήφθησαν με το ηχόμε-τρο Βruel & Kjaer, Type 2250, το οποίο διαθέτει την κλίμακα dB(A) και τηςσυχνότητας τους σε Hz. Το ηχόμετρο τοποθετήθηκε πλησίον στο δεξιό και α-ριστερό αυτί του χειριστή, σε στάση και σε κίνηση των ελκυστήρων, με διαφο-ρετικό αριθμό στροφών, με διαφορετικές ταχύτητες, με κλειστές και ανοιχτέςπόρτες.Τα γενικά αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις πειραματικές δοκιμέςτων μηχανικών δονήσεων είναι:α) Οι ημερήσιες επιτρεπόμενες ώρες εργασίας των χειριστών με το 3υνοαναστρεφόμενο άροτρο δύναται να είναι περισσότερες από οκτώ (8) ώρες, χω-ρίς να εμφανίζονται προβλήματα υγείας.β) Οι ημερήσιες επιτρεπόμενες ώρες εργασίας των χειριστών με δισκο-σβάρνα δύναται να είναι: β1) για κάθετη πορεία σε σχέση με την άροση καιταχύτητα 5,0 km/h, είναι 4h: 25min. β2) για ταχύτητα 8,0 km/h, είναι 1h:10min. β3) για πορεία με γωνία 300 σε σχέση με την άροση και ταχύτητα 5,0km/h, είναι 6h: 30min. β4) για ταχύτητα 8,0 km/h, είναι 1h:34min.γ) Οι ημερήσιες επιτρεπόμενες ώρες εργασίας των χειριστών με τον καλ-λιεργητή τελευταίας προετοιμασίας του εδάφους, με όλες τις ταχύτητες δύνα-ται να είναι περισσότερες από οκτώ (8) ώρες, χωρίς να εμφανίζονται προβλή-ματα υγείας. Tα αποτελέσματα των συσχετίσεων έδειξαν:1) Τη μεγαλύτερη επίδραση από τις αναπτυσσόμενες μηχανικές δονήσειςστην οριζόντια διαμήκη διεύθυνση (Χmax) μεταξύ: α) των ελκυστήρων εμφα-νίζει ο Lamborghini premium 950 και ακολουθούν ο Lamborghini R6-130 καιο Hurlimann 6115, β) των εργαλείων, το άροτρο και ακολουθούν η δισκο-σβάρνα και ο καλλιεργητής, γ) των εργαλείων και ταχυτήτων, το άροτρο μεταχύτητα 8km/h και ακολουθούν ο καλλιεργητής με 12km/h και η δισκοσβάρ-να.2) Τη μεγαλύτερη επίδραση από τις αναπτυσσόμενες δονήσεις στην ε-γκάρσια διαμήκη διεύθυνση (Υmax) μεταξύ: α) των ελκυστήρων εμφανίζει οLamborghini premium 950 και ακολουθούν ο Lamborghini R6-130 και ο Hurlimann6115, β) των εργαλείων, η δισκοσβάρνα και ακολουθούν το άροτρο καιο καλλιεργητής, γ) των εργαλείων και ελκυστήρων, η δισκοσβάρνα με τον ελ-κυστήρα Lamborghini Premium 950 και ακολουθούν το άροτρο με τον LamborghiniR6-130 και ο καλλιεργητής με τον Lamborghini Premium 950.3) Τη μεγαλύτερη επίδραση από τις αναπτυσσόμενες δονήσεις στην κα-τακόρυφη διεύθυνση (Ζmax) μεταξύ: α) των εργαλείων εμφανίζει η δισκο-σβάρνα και ακολουθούν το άροτρο και ο καλλιεργητής, β) των ελκυστήρωνκαι εργαλείων εμφανίζει η δισκοσβάρνα με όλους τους ελκυστήρες, γ) των ερ-γαλείων και ταχυτήτων η δισκοσβάρνα με 8,0 km/h και ακολουθούν το άροτρομε 8,0 km/h και το άροτρο με 5,0 km/h.Τα γενικά αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις πειραματικές δοκιμέςτων ακουστικών δονήσεων είναι:Α. Ελκυστήρας Renault 361, χωρίς θάλαμο χειρισμού.α) Η ένταση του θορύβου σε όλες τις περιπτώσεις των δοκιμών, σε κίνη-ση και σε στάση ήταν μεγαλύτερη από τα επιτρεπόμενα όρια.β) Κατά τη διάρκεια της κίνησης σε ασφαλτόδρομο για κάθε αύξηση τωνστροφών της μηχανής από min – mean – max, παρατηρήθηκε αύξηση της έ-ντασης του θορύβου κατά 5%. γ) Κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μηχανής σε στάση, για κάθε αύξησητων στροφών της μηχανής από min – mean – max, παρατηρήθηκε αύξηση τηςέντασης του θορύβου κατά 7%.Β. Ελκυστήρας Lamborghini R6-130, με σύγχρονο θάλαμο χειρισμού.α) Η μέγιστη μείωση του θορύβου κατά τη διάρκεια της κίνησης με πόρ-τες κλειστές σε σχέση με τις πόρτες ανοιχτές ήταν μέχρι 21,2% και στη στάσημέχρι 15%.β) Η μέγιστη ένταση του θορύβου εμφανίστηκε στις 1500 rpm, σε κίνησημε την 5η και 6η σχέση μετάδοσης της κίνησης, και στις ίδιες στροφές σε στά-ση.γ) Η ελάχιστη ένταση θορύβου 81,91dB(A) εμφανίστηκε σε κίνηση μετην 6η σχέση, με 2200 rpm, με πόρτες κλειστές και η μέγιστη 105,95 dB(A), μετην 6η σχέση με 1500 rpm, με πόρτες ανοιχτές.δ) Η ελάχιστη ένταση θορύβου 76,02 dB(A) εμφανίστηκε σε στάση με1000 rpm, με πόρτες κλειστές.Γ. Ελκυστήρας Hurlimann 6115, με θάλαμο χειρισμού παλαιάς τεχνο-λογίας.α) Κατά τη διάρκεια της κίνησης με στροφές της μηχανής min - mean –max, και τις σχέσεις μετάδοσης της κίνησης 5η και 6η, η ένταση του θορύβουμε πόρτες κλειστές σε όλες τις περιπτώσεις ήταν μεγαλύτερες σε σχέση με τιςανοιχτές πόρτες.β) Η ένταση του θορύβου σε όλες τις περιπτώσεις των δοκιμών ήταν με-γαλύτερες από τα επιτρεπόμενα όρια.γ) Η ένταση του θορύβου κατά τη διάρκεια της κίνησης με την 6η σχέσημε 1500rpm με πόρτες κλειστές ήταν κατά 6,8% μεγαλύτερη από την περίπτω-ση που οι πόρτες ήταν ανοιχτές. Τα συμπεράσματα από τα αποτελέσματα των δοκιμών είναι:α) Κατά τη διάρκεια της άροσης με το 3υνο αναστρεφόμενο άροτρο καικατεργασίας του εδάφους με δισκοσβάρνα, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τιμέςτων επιταχύνσεων των δονήσεων στο κάθισμα του χειριστή εμφανίστηκανστον κατακόρυφο άξονα (Ζ), σε ποσοστό 100%. Στους άξονες (Χ,Υ) οι ανα-πτυσσόμενες δονήσεις ήταν σε πολύ μικρότερες τιμές.β) Κατά τη διάρκεια της κατεργασίας του εδάφους με τον καλλιεργητήτελευταίας προετοιμασίας του εδάφους, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τιμές τωνεπιταχύνσεων των δονήσεων στο κάθισμα του χειριστή εμφανίστηκαν στο ορι-ζόντιο επίπεδο και συγκεκριμένα με το ίδιο ποσοστό 50%, στη διαμήκη διεύ-θυνση (Χ) και 50% στην εγκάρσια (Υ).γ) Οι εντάσεις των μηχανικών και ακουστικών δονήσεων σε ελκυστήρεςμε σύγχρονους θαλάμους χειρισμού είναι πολύ μικρότερες σε σχέση με τουςελκυστήρες που διαθέτουν θαλάμους παλαιάς τεχνολογίας.δ) Στους ελκυστήρες με σύγχρονους θαλάμους χειρισμού κατά τη διάρ-κεια των εργασιών με κλειστές πόρτες οι εντάσεις των ακουστικών δονήσεωνείναι σημαντικά μικρότερες από τις περιπτώσεις που οι πόρτες είναι ανοιχτές.ε) Στους ελκυστήρες παλαιάς τεχνολογίας κατά τη διάρκεια των εργασιώνμε κλειστές πόρτες οι εντάσεις των ακουστικών δονήσεων είναι μεγαλύτερεςσε σχέση με τις περιπτώσεις που οι πόρτες είναι ανοιχτές.Τέλος οι χειριστές ελκυστήρων παλαιάς τεχνολογίας με ή χωρίς θαλάμουςχειρισμού κατά τη διάρκεια της εργασίας θα πρέπει πάντα να λαμβάνουν μέτραπροστασίας της υγείας τους από τις μηχανικές και ακουστικές δονήσεις.