手扶插秧机作业人员手臂系统振动仿真分析与试验研究

发布时间：2020-06-18 05:17

【摘要】：手传振动是危害振动机具作业人员身心健康的重要因素之一,特别是农机装备作业人员接触的振动强度大,暴露时间长,手传振动问题更是尤为突出。作业人员长期接触手传振动,不仅会影响其手部末梢血液循环,而且还会造成人体上肢关节、肌肉以及结缔组织的损伤,严重者甚至会引起手臂振动病。因此,必须对机具手传振动进行有效控制,最大限度地减少振动对人体健康及手臂系统的不良影响。本研究主要围绕国家自然科学基金项目“农机装备作业人员手臂振动生物力学模型及动态响应特性研究”展开,在研究手臂生物力学特性、手传振动评价体系及振动理论的基础上,以手扶插秧机作业人员手臂为研究对象,综合现有的手传振动评价体系,对机具手传振动暴露量进行评估,对人体手臂振动响应与传递特性进行测试分析,相关研究结果可为作业人员手臂振动防护提供一定的参考依据。然后,以人体手臂CT扫描图像为数据基础,采用Mimics、Geomagic Studio、Creo、Hypermesh以及Abaqus软件相结合的方式,构建人体手臂生物力学与有限元分析模型,并以此为基础,分别对人体手部和手臂整体进行有限元模态分析,计算手臂的固有振动特性。最后,对手部抓握手柄时振动在人体手臂的传递过程进行动力学仿真,通过对手臂进行稳态动力学分析,计算分析手臂各测点的振动响应与传递特性,并将仿真分析结果与前期试验及模态分析结果进行对比,结果表明,仿真分析与振动测试及模态分析结果具有较好的一致性。主要研究内容和结论如下:(1)对手扶插秧机手柄的手传振动与手臂振动传递特性进行测试分析与评价。本研究主要根据ISO 5349-1:2001评价标准对插秧机手柄的手传振动进行测试与评价,结果发现,插秧机作业人员手臂振动8 h暴露量为2.442 m/s~2,接近但并未超过欧盟指令规定的作用值2.5 m/s~2,引发手传振动病的风险比较低,但是考虑到手扶插秧机并未全速运转,常年操作该插秧机的机手仍需注意防范手臂振动病的风险。此外,本研究还对插秧机的手柄及人体手臂不同位置进行了振动响应测试与分析,结果发现,在怠速状态和作业工况,传递到上臂测点处各轴向的振动加速度明显低于手背和小臂两个测点的振动,说明绝大部分振动能量在传递到人体肩关节之前已被小臂和手部吸收。对作业人员手臂振动传递特性进行测试分析发现,插秧机手柄处的振动传递到手臂上时,振动呈逐渐衰减的趋势。振动由手柄传递到小臂测点时在25 Hz附近出现共振。在x、y方向,手掌对小于25 Hz低频振动能量吸收较差;而在z方向,手掌对100 Hz左右的中频成分振动能量吸收较差。考虑到人体手部对振动最敏感的频率范围为8-16 Hz,正好在该低频范围之内,因此应将小于25 Hz,尤其是8-16 Hz的低频振动作为今后的研究重点。减振手套对80Hz以下的振动具有较好的减振效果,因此实际作业过程中可考虑采用减振手套。此外,手腕对振动能量的吸收最多,为避免引发手传振动病和关节损伤,针对腕部的减振措施也极为重要,操作手扶式农机具时应佩戴护腕。(2)建立了人体手臂生物力学有限元分析模型。以中国成年男性人体手臂的CT扫描图像为数据基础,采用Mimics、Geomagic Studio、Creo、Hypermesh以及Abaqus软件相结合的方式,创新地建立了包含软组织、骨骼以及关节韧带的人体手臂生物力学有限元模型。模型将骨骼定义为线弹性材料,皮肤和皮下组织等软组织定义为超弹性和粘弹性材料。根据手臂解剖学结构关系,采用共节点的方式对骨骼和软组织进行网格划分,但是,为解决手指弯曲中单元的大位移导致的过度扭曲单元问题,建模过程中还对手部关节处的网格进行了加密与细化。此外,模型分别采用铰连接方式与线性弹簧模拟指关节和关节韧带。(3)对人体手臂系统的固有振动特性、振动响应以及传递特性进行了仿真分析与研究。研究主要采用分块Lanczos法分别对人体手部与手臂整体进行有限元模态分析,分别提取其前6阶振动模态。观察手臂各阶模态发现,手指部位的振动位移最大,尤其是在一阶固有频率,手指的振动幅度最大,说明在振动过程中手指部位最易产生振动载荷的积累,此结果与试验研究及文献所提供的结果具有较好的一致性,说明所建立的模型是准确可靠的。不仅如此,本研究还对手部抓握手柄时振动在人体手臂的传递过程进行了动力学仿真,通过对手臂进行稳态动力学分析,计算分析手臂各测点的振动响应与传递特性,结果发现,手部在接触5-10 Hz与35-40 Hz的振动时会出现幅值增大现象,即产生共振,易造成关节和软组织的疲劳损伤。因此,在握持振动手柄作业时,应尽量避免5-10 Hz与35-40 Hz的振动直接接触手部。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S223.91
【图文】：

柏树,肱骨,肱骨头,肱骨体

图 2-2 肱骨（柏树令 2010）Fig. 2-2 Humerus铃形长骨，主要由肱骨体和上下两端组成，上盂相关节，下端微向前方弯曲，弯曲部分由肱成，肱骨小头前上方有桡窝。肱骨头周围的环 45°角，而肱骨头的外侧和前方分别为大、小外科颈，此处为骨骼中松质骨和密质骨的分界。

柏树,尺骨,桡骨,肱骨小头

图 2-2 肱骨（柏树令 2010）Fig. 2-2 Humerus肱骨，哑铃形长骨，主要由肱骨体和上下两端组成，上端为膨大，与关节盂相关节，下端微向前方弯曲，弯曲部分由肱骨小头、肱外上髁组成，肱骨小头前上方有桡窝。肱骨头周围的环状浅沟被平面约成 45°角，而肱骨头的外侧和前方分别为大、小结节。大的部分是外科颈，此处为骨骼中松质骨和密质骨的分界位置，皮造成骨折。

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