非公路矿用自卸车振动评估方法

李来平，裴 洁，宋 晗，赵明凯，姚树军

（内蒙古北方重型汽车股份有限公司，内蒙古 包头 014030）

非公路矿用自卸车生产运行中产生的振动主要来自发动机在工作中产生的不平衡力或力矩以及来自路面的不平度激励，其中路面激励差异较大，更不可控。矿用车运行环境大多起伏不平、多弯道、多坡道，路况较为复杂多变，车辆在装载、起动、加速、转弯、制动等过程中均会不同程度的受到各个方向的冲击作用，从而产生了较大的路面动态激励而产生振动。这种振动不仅使车辆的零部件产生疲劳冲击，加速各接插联接部位的松动和磨损，使相关零部件早期损坏，而且使车辆的驾驶员操作者长期暴露于这种振动环境下，在工作中处于全身振动、手臂振动状态中，影响健康和舒适性，甚至产生职业病。从所查阅文献资料看，目前国内学者对矿用车振动评估方法大多是基于GB/T 4970—2009《汽车平顺性试验方法》标准，评价其平顺性（舒适性）[1]，但从矿用车产品出口看，用户要求提供的都是影响健康的指标，也就是需要评估车辆的健康影响。因此，着重讨论实践过程中振动对人体造成健康安全危害的适用标准和评估办法，以满足产品出口对振动性能的要求。

1 矿用自卸车振动影响及所用评估标准

1.1 全身振动

全身振动是指传向整个人体的机械振动（冲击），通常是通过振动（或受冲击运动）的支撑表面相接触的人体区域（如脚部、臀部、背部）传递。对于非公路自卸车来说，车辆的振动传递给驾驶员的路径为：驾驶室地板→脚，驾驶室地板→座椅→臀部和背部。许多驾驶员的健康症状与这种接触有关，最常见的一个已知危险因素被称为“腰椎综合症”，表现为背痛，这是由于长时间暴露在的振动中的负面结果[2]。

1.1.1 ISO 2631－1：1997标准评估方法

ISO 2631－1：1997《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求》标准定义了全身振动的量化方法，规定了周期、随机和瞬态的全身振动的测量和振动值计算方法。该标准提供了振动对人体健康、感知与舒适和运动病发病率3个方面的影响评价[3]。

ISO 2631－1将加速度指定为表示振动以供评估的主要参数，同时引入加速度的频率权重用于评估坐姿健康影响，即z方向的Wk（近似垂直通过座位上的操作者），x方向（前后方向）和y方向（横向）的Wd。基于实践经验，将“基本评估方法”定义为计算频率计权加速度均方根值（RMS）aW（单位m/s2），并提出了“波峰因子”的概念，即频率计权加速度信号的最大瞬时峰值与其均方根值的比值，建议如果波峰因子小于或等于9，则加速度均方根值即作为衡量人体振动的基本评估方法和基本值。在基本评估方法可能会低估振动影响（波峰因子大于9、偶然性冲击、瞬态振动）时，给出了振动幅值的2种附加测量方法：一是运行均方根评价方法，即测量得到的最大瞬态振动测量值MTVV（单位m/s2），它对偶尔的冲击很敏感；二是四次方振动剂量法，该方法使用加速度历程的四次方作为计算平均的基础，并提供对加速度峰值敏感的四次方振动剂量值VDV（单位m/s1.75）。

ISO 2631－1还提出了使用附加方法评估振动的健康或舒适影响的2个附加限值。如果MTVV值与RMS值的比值超过1.5，应当同时使用基本评估法和运行均方根值法；如果VDV与RMS值和时间历程的四次方乘积之比超过1.75时，建议同时使用基本评估法和四次方振动剂量法。如果波峰因子大于9（MTVV值与RMS值的比值），基本评估法不再适用，而只能用运行均方根值法或四次方振动剂量法。

澳大利亚AS 2670.1－2001《全身振动人体接触评估 一般要求》等同采用了ISO2631－1：1997标准。

ISO 2631－1：1997标准分别给出了有关健康、舒适与感知以及运动病的各种评价方法、频率计权的使用指南和评估指南。

影响健康的适应范围是在0.5～80 Hz频率范围内通过座椅底板整体传入坐姿人体的振动。频率计权均方根应按每一方向（轴线）确定，每一方向应独立进行评估，应考虑在任一轴上确定的最高频率计权加速度；虽然注意到合成振动总值VTV有时用于估计健康风险，条件是不存在主振动轴。标准指出坐姿人员的频率计权应按所示的乘数因子计算：即对x轴和y轴的乘数因子kx、ky）定义为1.4，z方向的乘数因子kz定义为1。

关于评估全身振动对健康的影响的进一步指导，ISO 2631.1提供的“健康指导警告区”（HGCZ）如图1。图1为不同持续时间的计权均方根加速度定义了2种不同的日常暴露振动“健康指导警告区”。不同的日常暴露振动对4～ 8 h的持续时间是一致的。对于HGCZ以下的接触，认为没有任何健康影响明确记录，对于HGCZ内的接触“表明对潜在健康风险的警告”，对于HGCZ区域以上的接触，则建议“可能存在健康风险”。

图1 健康指导警告区（HGCZ）

虽然ISO 2631.1没有提供任何暴露限值，但从图1中得知，8 h接触HGCZ的下界和上界分别被引用为0.47 m/s2和0.93 m/s2[4]。针对四次方振动剂量值VDV，标准建议可以从均方根值（计权加速度的1.4倍和测量持续时间1/4次方）推断VDV的估计值（EVDV），建议对应HGCZ的上、下界EVDV分别为8.5 m/s1.75和17 m/s1.75[4]。

1.1.2 ISO－TR 25398－2006指导性技术文件评估方法

本指导性技术文件对那些（如雇主、土方机械制造商）被要求确定、评估和提供文件证明驾乘式机器操作人员每日全身振动暴露量提供了指导方针[5]。其出发点是根据ISO 2631－1来确定每日振动暴露A（8）。标准指出每日振动暴露A（8）是由作业过程中的暴露持续时间T和暴露持续时间内的平均振动值的最大值－等效振动值aw，eg计算而得到的，计算过程涉及到的频率计权、方向乘数因子、加速度均方根均符合ISO 2631.1标准中的方法。振动暴露的的评估值取为A（8）在x、y和z 3个方向上的最大值，也即超过8 h的等效振动总值。

本指导性技术文件同时提出了一个振动暴露点的概念，包括局部振动暴露点PEi和总的振动暴露点PEtot，这2个值仅作为A（8）值的一个简单替代方法。把等效振动值0.5 s/m2作为A（8）设定为100暴露点的值，那么1 d中总的振动暴露100点的值等于A（8）=0.5 s/m2的暴露作用值，而529点的值等于A（8）=1.15 s/m2的暴露限值。

文件的附录B提供了评价振动水平的数据（频率计权均方根加速度值s/m2），这个数据表是基于在典型作业工况下至少进行5～100次以上测量得出的结果。1台机器的振动量可能会变化很大，例如：司机及其驾驶风格（如粗鲁、平稳）、不同的作业工况条件、机器行驶速度或不同的物料都有可能影响到实际的振动量，因此采用平均值和不确定度的描述则是反映实际作业工况的最好体现。在使用附录B的数据时，典型工况等效振动量值就取表中平均值；良好的作业工况，等效振动量值为平均值减去标准偏差；恶劣的作业工况，等效振动量值为平均值加上标准偏差。这个标准偏差是通过不同操作者、多台机器、不同操作环境、测试仪器的组合得到的统计数据而得。

1.1.3 GB/T 4970—2009标准适用范围

GB/T 4970—2009《汽车平顺性试验方法》适用范围明确说明适用GB／T 15089—2001《汽机动车辆及挂车分类》中的M类（乘用车）、N类（载货车）车辆，该标准以ISO 2631-1标准为基础，规定了脉冲输入行驶试验和随机输入行驶试验方法。评价结果仅关注平顺性也就是ISO 2631-1中的舒适性感知要求，其评价标准也引用了ISO 2631-1标准中“舒适与感知”的量化界限值描述。由于非公路矿用自卸车运行环境及产品类别与此类机动车完全不属同一类产品，因此不适合用此标准进行测试和评价。

1.2 手臂振动

对于矿用自卸车来说，驾驶员手握方向盘或手柄，车辆的振动会通过方向盘或手柄传递到手臂。目前的研究认为手臂振动对健康有影响，而与舒适性无关。手臂振动会导致手臂局部血液循环紊乱和局部骨骼和关节变形，也即手臂振动综合征[2]。

手臂振动的强度值用ahv表示，也是x、y、z 3个方向上的频率计权加速度均方根值，但3个方向上的方向乘数因子相同。同样，手臂振动也要确定每日振动暴露A（8），由作业过程中的暴露持续时间T和暴露持续时间内的等效振动值ahv计算而得到[6]。

ISO 5349-1：2001《机械振动 人体手传振动的测量和评价 第1部分：一般要求》和ISO 5349-2：2001《机械振动人体手传振动的测量与评价 第2部分：用于现场测量的实施指南》标准对手臂振动评估做了具体规定。

2 对振动限值要求的有关法规

2.1 欧盟振动危害指令

振动危害指令全称为欧洲议会和理事会指令2002/44/EC《关于工人暴露于物理因素（振动）引发危险的最低健康和安全要求》。该指令规定了暴露作用值（EAV），要求雇主控制其操作者的全身振动风险；并规定接触限值（ELV），不得超过该限值。该指令解释了应用ISO 2631.1测量的振动暴露所遵从的具体限值，即：

对振动暴露水平的评估是基于每日接触A（8）的计算，它表示为8 h内的等效连续加速度，计算为频率加权加速度的最高RMS值或最高振动剂量值VDV。EAV和ELV的RMS或VDV限值分别为0.5 m/s2（RMS）或9.1 m/s1.75（VDV）和1.15 m/s2（RMS）或21 m/s1.75（VDV），特别要求“操作者暴露量不得超过上面的ELV值”[7]。此限值比ISO 2631.1中HGCZ区域所意指的值要宽松一些。

2002/44/EC指令对于手臂振动，暴露作用值为2.5 m/s2，每日暴露限值为5 m/s2[7]。

在ISO-TR 25398-2006指导性技术文件中规定，基于欧洲指令2002/44/EC定义暴露作用值为A（8）=0.5 m/s2和暴露限值为A（8）=1.15 mm/s2。由于每日暴露量具有一定的不确定度，如果估算的值与暴露作用值或暴露限值接近，最好认为该值已经超出，雇主应采取必要的措施。

2.2 澳大利亚《矿山设计指南》MDG-15规定

新南威尔士州矿山安全监管机构在矿山设计指南MDG-15“应用于矿山和石油开采场合的移动式和可运输设备”4.5.1中指出振动可导致长期肌肉骨骼损伤，应采取充分的预防措施，以防止在任何设备运行期间将过度振动传递给设备操作员；如果存在振动风险，从而对操作者的健康或安全造成风险，则应由具有此类评估资历的人员进行振动评估。运行期间传递的振动不应超过AS 2670.1/IS0 2631.1-1997中的规定或欧洲指令2002/44/EC规定的极限水平[8]。

2.3 中国法规或标准

目前在土方机械振动安全要求方面，中国还没有单独的法规要求，适用的标准有GB/T 13441.1—2007《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》（等同采用ISO2631－1：1997标准）和GB/Z 26139—2010《土方机械 驾乘式机器暴露于全身振动的评价指南 国际协会、组织和制造商所测定协调数据的应用》（等同采用ISO/TR25398：2006标准），因此评估依据也完全按照ISO2631－1：1997和ISO/TR25398：2006标准执行。

3 振动评估的实践应用

3.1 矿用自卸车振动影响评估类型选择

在ISO2631－1标准中给出了振动对人体健康、感知与舒适和运动病发病率3个方面的影响评价办法，非公路矿用自卸车作为土方机械的一个种类，该如何选择对应的评价办法呢？从标准描述中知道，运动病适合于船舶和海上其他交通工具的运动情形；对于舒适性，其环境背景主要指振动对日常活动（如阅读、书写和饮食）产生的干扰而引起的不舒适。人体舒适性主观感觉评价与综合振动总值的不同量值的近似关系也是基于在公共交通中的可能反应，不同振动量值的反应取决于乘客对旅行持续时间的期望和乘客所期望完成的活动类型（如阅读、书写和饮食）以及诸多其他因素（听觉噪声、温度等），可见舒适性（平顺性）评价主要是针对乘用车的，并不适用于土方施工作业的非公路矿用自卸车。

而且从欧盟振动危害指令2002/44/EC、澳大利亚《MDG－15矿山设计指南》以及非公路矿用自卸车产品出口过程中客户标书中的技术要求，均提出的是振动对人体健康的影响要求，因此对非公路矿用自卸车的振动评估也仅做人体健康影响评价。

3.2 矿用自卸车振动测试及评估

要测定某型号非公路矿用自卸车的振动情况，最好选择多台同型号矿用车，由多名不同的司机操作，选择不同路面地形（如沥青碎石道路、不平的混凝土路面、表面有坡度和弧度的路面等等），进行一系列施工作业过程中的数据采集。

单次测量时长（测试仪积分计算的时间长度）的取值，一方面应能充分保证合理的数据统计精度；另一方面根据人体全身和手臂对频率的响应而定，也就是各频段振动对拟评估的人体暴露的影响要具有典型性。测量时，应保证不小于如下的规定[2]：

1）全身振动（健康和舒适性影响）。频率范围0.5～80 Hz，测量时长≥180 s。

2）手臂振动（健康影响）。频率范围0.5～80 Hz，测量时长不小于12 s。

当完整的暴露包括具有不同特性的时间段时，应分别对不同时间段做单独分析。

3.2.1 以ISO 2631－1标准对结果的分析

以多次测量数据结果为输入，按照1.1.1描述的方法计算得到频率计权均方根值RMS，对照“健康”评估项，分析各次RMS值在图1“健康指导警告区”（HGCZ）中的分布情况。对于HGCZ阴影区域以下的接触，认为“没有任何健康影响”，对于HGCZ内的接触“表明有潜在健康风险，予以警告”，对于HGCZ区域以上的接触，则“可能存在健康风险”，必须采取措施。据了解，一些国外矿山机构用HGCZ区域来评估振动结果。

也有制造商和机构应用测试数据计算8 h暴露量，按照欧盟振动危害指令2002／44／EC限值来评估振动结果。TEREX在苏格兰的工厂针对系列矿用车产品就进行了这样的评估。

3.2.2 以ISO－TR 25398－2006标准对结果的分析

按照ISO－TR 25398－2006指导性技术文件：第1步：要得到矿用自卸车的属性以及作业环境条件（包括：典型运行条件、地面条件、地面硬度、装卸物料、驾驶风格等）；第2步：确定矿用自卸车的作业时间（驾乘时间）、暴露持续时间T，确定自卸车循环作业工况下每种工况的持续暴露时间Ti（本文件对于矿用自卸车给定的典型作业工况包括：装载、带载行驶、卸载、空载行驶）；第3步：根据以上信息对应附录B中的等效振动值数据加上或减去标准偏差得到每一工况下的等效振动值；第4步：计算A（8）或PEtot；第5步：依据欧盟振动危害指令2002/44/EC，得出结论。此方法利用了附录B中的经验数据，有条件的话可以进行实测，以验证振动暴露实际值。

4 标准使用中的模糊性和局限性

尽管ISO 2631－1定义了全身振动量化的方法，正如导言中明确指出的那样，它“不包含振动暴露限值”，只是给出了图1的HGCZ区域，从中对应出上下界限值。在应用ISO 2631评估全身振动时，曾注意到一些歧义和异常。例如，在评估全身振动的健康影响时，对X轴和Y轴使用1.4乘法因子，而评估全身振动对舒适性的影响时则没有[4]。

ISO 2631－1没有提供与HGCZ有关的MTVV评价指南。对于是否应将乘数因子K应用于MTVV评估的x和y方向，没有提供任何指导；也没有提供关于VDV评估的明确指导，尽管一般推断标准中提到的EVDV值可以使用，但没有说明是否应将乘数因子K适用于x。

而ISO－TR 25398－2006指导性技术文件的使用也存在一定的局限性，附录B中提供的评价振动水平的数据是基于在典型作业工况下至少进行5～100次以上测量得出的结果，并假定同一类型机械的振动水平都是一样的。实际上，对于非公路矿用自卸车来说，不同的车型悬挂系统、驾驶室减振、轮胎等不同，振动水平可能就不同，如果用这个数据表作为等效振动均值，得出的结论可能会出现偏差。

5 结语

对非公路矿用自卸车驾驶员接触全身振动（WBV），应用ISO 2631－1标准中的“健康指导警告区”（HGCZ）来判定驾驶员的健康安全。对于HGCZ阴影区域以下的接触，认为“没有任何健康影响”，对于HGCZ内的接触“表明有潜在健康风险，予以警告”，对于HGCZ区域以上的接触，则“可能存在健康风险”，必须采取措施。

应用ISO－TR 25398－2006指导性技术文件计算A（8）或PEtot值，或按ISO 2631－1的测量值，计算8 h暴露量，依据欧盟振动危害指令2002/44/EC，判定振动暴露其处于限值范围的哪个区间，特别要求“操作者暴露量不得超过极限值1.15 m/s2（RMS）或21 m/s1.75（VDV）。

数据表明，除轮胎、悬挂、座椅等车辆自身设计方面外，自卸车驾驶员接触到的振动振幅也是一系列其他因素的函数，例如道路状况和车辆速度，驾驶者的技术差异。正确调整和维护机械、平稳操作机械以及保持稳定的地形条件可以减少全身振动。对于设备制造商来说，测量必须在真实的操作条件范围内进行，以便为设计目的准确地描述振动暴露。