Messung der handübertragenen Schwingung des menschlichen Handarmsystems während des Betriebs eines Handtraktors

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein standardisiertes Verfahren zur Messung der handübertragenen Schwingung enthoben von Griffen eines einachsigen Traktors mit besonderem Bezug auf Änderungen der Griffkraft und Schwingungsfrequenz vor.

Zusammenfassung

Die Bediener von Handtraktoren sind hohen handübertragenen Vibrationen (HTV) ausgesetzt. Diese Schwingung, die lästig und gesundheitsgefährdend sein kann, wird dem Bediener über seine Hände und Arme vermittelt. Eine standardisierte Methode zur Messung von HTV von Handtraktoren muss jedoch noch definiert werden. Ziel der Studie war es, eine experimentelle Methode zur Untersuchung der biodynamischen Reaktion und Schwingungsübertragbarkeit des Hand-Arm-Systems während des Betriebs eines Handtraktors im stationären Modus vorzustellen. Die Messungen wurden mit zehn Probanden mit drei Griffkräften und drei Griffschwingungen durchgeführt, um die Einflüsse des Handdrucks und der Frequenz auf handübertragene Schwingungen (HTV) zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Haltedichte am Griff die Schwingungsreaktion des Hand-Arm-Systems beeinflusst, insbesondere bei Frequenzen zwischen 20 und 100 Hz. Die Übertragung niedrigerer Frequenzen im Hand-Arm-System war relativ unbehellet. Im Vergleich dazu wurde festgestellt, dass die Dämpfung während des Betriebs des Handtraktors für höhere Frequenzen recht ausgeprägt war. Die Schwingungsübertragbarkeit auf verschiedene Teile des Hand-Arm-Systems verringerte sich mit der Erhöhung des Abstands zur Schwingungsquelle. Die vorgeschlagene Methodik trägt zur Erhebung konsistenter Daten für die Bewertung der Schwingungsexposition des Bedieners und die ergonomische Entwicklung von Handtraktoren bei.

Einleitung

Handtraktoren, auch als Stromfräser bekannt, sind in Entwicklungsländern weit verbreitet für die Landvorbereitung von kleinen Feldern. Der Feldbetrieb eines Handtraktors beinhaltet, hinter der Maschine zu gehen und seine Griffe zu halten, um seine Bewegung zu steuern. Die Bediener von Handtraktoren sind hohen Vibrationen ausgesetzt, die auf den kleinen Einzylindermotor und das Fehlen eines Aufhängungssystems von Handtraktoren zurückzuführen sind¹. Das Hand-Arm-Vibrationssyndrom (HAVS)² kann durch eine lange Ausdauer durch die Vibration, genannt Handübertragene Vibration (HTV), verursacht werden, die vom Handtraktor erzeugt und von den Händen des Bedieners empfangen wird. Um die Gesundheitsrisiken zu bewerten, die sich aus der Exposition der Bediener gegenüber dem HTV von Handtraktoren ergeben, ist es notwendig, ein Verfahren zur Messung des Schwingungsreaktionens des Hand-Arm-Systems festzulegen.

Das Hand-Arm-System besteht aus Knochen, Muskeln, Geweben, Venen und Arterien, Sehnen und Haut³, und die direkte Messung von HTV wirft viele Probleme. Die einschlägigen internationalen Normen^4,5 enthalten Richtlinien für die Messung der Schwere der in unmittelbarer Nähe der Hand erzeugten Schwingungen, einschließlich des Koordinatensystems für die Hand, der Lage und Montage von Beschleunigungsmessern, der Messdauer, Kabelverbinderprobleme, etc. Die Normen berücksichtigen jedoch keine intrinsischen Variablen wie die Griffkraft, die Körperhaltung von Hand und Arm, einzelne Faktoren usw. Diese Faktoren wurden ausgiebig unter einer Vielzahl von Schwingungserregungen und Testbedingungen^{6,7,8,9,10,11,12,13}, aber die Ergebnisse der verschiedenen Prüfer sind nicht in guter Übereinstimmung untersucht. Viele dieser Faktoren wurden nicht ausreichend verstanden, um in Standardmethoden einbezogen zu werden. Diese Einschränkung ist zum Teil auf die Komplexität des menschlichen Hand-Arm-Systems, die Testbedingungen und die Unterschiede in den eingesetzten Versuchs- und Messtechniken zurückzuführen.

Darüber hinaus wurden die meisten früheren Messungen von HTV unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen mit idealisierten Schwingungsanregungen, Griffkraft und Haltungsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse und experimentellen Verfahren dieser Messungen können daher nicht wirklich reale Bedingungen, wie die Betriebsbedingungen von Handtraktoren, replizieren. Darüber hinaus wurden nur begrenzte Anstrengungen unternommen, um das HTV von Handtraktoren mit Feldmessungen zu untersuchen. Diese Messungen wurden mit Beschleunigungsmessern durchgeführt, die am Handgelenk, Arm, Brust und Kopf des Bedieners befestigt sind, um die Ganzkörperschwingung unter den Transportbedingungen des Traktors zu messen¹, oder unter den Bedingungen der Bodenbearbeitung in einem geergelten Feld und des Eintauchens in einem untergetauchten Feld mit unterschiedlichen Motordrehzahlen¹⁴. Die Wirkung der Griffkraft, die ein entscheidender Faktor von HTV^7,8sein könnte, war nicht isoliert. Diese Methoden sind daher als standardisierte Messverfahren aufgrund der verschiedenen Zwangshaltungen des Bedieners während der Landwirtschaft, die den rauen Umweltbedingungen zugeschrieben werden, ungeeignet.

Die vorliegenden Forschungsarbeiten wurden durchgeführt, um zur Schaffung zuverlässiger und wiederholbarer Verfahren für die HTV-Messung von Handtraktoren im stationären Modus beizutragen. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm des experimentellen Entwurfs. Ein in China hergestellter Handtraktor, der häufig von chinesischen Landwirten verwendet wird, wurde eingesetzt, und zehn Forscher wurden als Studienteilnehmer ausgewählt. Zur Messung der Vibrationen wurden sieben leichte piezoelektrische Beschleunigungsmesser eingesetzt, die am Traktor-Hand-Arm-System befestigt sind. Ein Tachometer und zwei Dünnschicht-Drucksensoren überwachten die Motordrehzahl und Griffkraft während der Prüfung. Die Probanden waren verpflichtet, den Handtraktor sequenziell mit bestimmten Motordrehzahlen und mit bestimmten Griffkräften zu betreiben, um die Schwingungseigenschaften in verschiedenen Betriebsarten zu erhalten. Dieses Manuskript enthält ein detailliertes Protokoll für die HTV-Messung des Traktor-Hand-Arm-Systems unter Berücksichtigung von Änderungen der Griffkraft und Schwingungsfrequenz.

Protokoll

Alle Verfahren wurden von der Ethikkommission der Technischen Universität Chongqing genehmigt und jedes Fach hat vor der Teilnahme an dieser Studie schriftlich seine Zustimmung in Kenntnis der Sachlage erteilt.

1. HandtraktorVorbereitung

1. Stellen Sie sicher, dass der Handtraktor mit einem vollen Kraftstofftank, ohne Lose der Schrauben und ohne andere mechanische Defekte, die zu ungewöhnlichen Vibrationen führen würden, ordnungsgemäßen Prüfbedingungen ausgesetzt ist.
   ANMERKUNG: Die Spezifikationen des in diesem Experiment verwendeten Handtraktors sind in Tabelle 1angegeben.
2. Legen Sie den Handtraktor auf einem Prüfplatz mit einer trockenen, festen und ebenen Bodenoberfläche.
   HINWEIS: Wenn dieses Experiment in einem Labor durchgeführt wurde, muss das Labor gut belüftet sein, um schädliche Auswirkungen des Abgass des Handtraktors zu verhindern.
3. Entfernen Sie die Staubabdeckung der Motorrolle, um die Motordrehzahl während des Experiments bequem mit einem Tacho zu kalibrieren.
4. Entfernen Sie die elastomeren Materialien der Griffe nach ISO 5349-2 Standard⁵.

2. Themenvorbereitung

1. Stellen Sie sicher, dass alle Probanden gesund und ohne körperliche Beschwerden sind und über dem Alter von 18 Jahren³sind. Informieren Sie jedes Fach über die Studienziele und Testverfahren. Einholen Sie schriftliche informierte Einwilligung von allen Probanden.
   1. Auszuschließen Probanden mit folgenden Krankheiten: primäre Raynaud-Krankheit oder sekundäres Raynaud-Phänomen, Beeinträchtigung der Durchblutung der Hände, Deformität der Knochen und Gelenke, Störungen des peripheren Nervensystems oder des Bewegungsapparates³.
2. Bitten Sie die Probanden, ärmellose oder kurzärmelige Kleidung zu tragen und Uhren, Armbänder, Ringe usw.zu entfernen.
3. Warnen Sie jedes Motiv, den Schalthebel des Handtraktors während des Betriebs nicht zu berühren. Warnen Sie jedes Betroffene, sich von der Motorrolle fernzuhalten, wenn der Handtraktor läuft.
4. Stellen Sie den Probanden Geschwindigkeitsregelungstraining auf dem Handtraktor zur Verfügung. Informieren Sie jeden Versuchspflichtigen, den Motor am Ende des Experiments herunterzufahren, indem Sie auf die Motorschaltertaste drücken.
   HINWEIS: Im Allgemeinen wird die Motordrehzahlregelung durch den Drosselschalter am rechten Griff gesteuert, und die Probanden werden trainiert, die Motordrehzahl zu regulieren, indem sie den Drosselschalter mit den rechten Händen nach links (Geschwindigkeitsabnahme) oder nach rechts (Geschwindigkeitserhöhung) drehen.
5. Weisen Sie jedes Subjekt an, wie der Handtraktor betrieben und wie die Motordrehzahl von 1500 auf 3500 Umdrehungen pro Minute geregelt werden kann.
6. Messen Sie die Körpermaße jedes Motivs (Standhöhe, Masse, Unterarmlänge, Oberarmlänge, Handlänge).
   ANMERKUNG: Tabelle 2 fasst die physikalischen Eigenschaften von zehn gesunden Probanden in diesem Experiment zusammen.
7. Wickeln Sie die Beschleunigungsmesseradapter an den in Abbildung 2angegebenen Stellen fest an der Hand und am Arm jedes Motivs.
   HINWEIS: Jeder Adapter wurde mit einem Nylonarmband und einem Stück des verzinkten Eisenblechs (0,3 mm) hergestellt, um eine starre und leichte Befestigung zu gewährleisten.

3. Einrichtung des Messsystems

1. Einrichtung des Beschleunigungsmesssystems
   HINWEIS: Die vorliegenden Schritte zielen darauf ab, die Schwingungsbeschleunigungssignale aus dem Griff des Handtraktors und an sechs Stellen des Hand-Arm-Systems des Bedieners zu erfassen. Der vorgeschlagene Ansatz verwendet ein kompaktes Datenerfassungssystem (Data Acquisition, DAQ) bestehend aus sieben Beschleunigungsmessern, drei Datenerfassungskarten, einem Datenerfassungsgehäuse, einem Laptopcomputer und einigen zugehörigen Kabeln(Abbildung 3). Andere Arten von Datenerfassungssystemen mit den richtigen Eigenschaften für die betroffene Anwendung können in ähnlicher Weise angewendet werden.
   1. Sammeln Sie vor Beginn einer Messung alle Komponenten des Messsystems (Beschleunigungsmesser, Datenerfassungssystem, Dünnschichtdruckmesssystem, Tachometer, digitaler Goniometer und andere relevante Komponenten).
   2. Um das Beschleunigungsmesssystem einzurichten, schließen Sie den Beschleunigungsmesser über die Beschleunigungsmesserkabel mit den Datenerfassungskarten an. Schließen Sie das Gehäuse über ein Ethernet-Kabel mit dem Computer an.
      HINWEIS: Bei diesem Experiment wurden zwei dreiachsige Beschleunigungsmesser und fünf einachsige Beschleunigungsmesser verwendet, die mit magnetischer Montagebasis befestigt sind.
   3. Befestigen Sie einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser am linken Griff des Handtraktors und befestigen Sie den anderen am Beschleunigungsadapter der Hand des Motivs. Befestigen Sie Einachsbeschleunigungsmesser nacheinander an den Beschleunigungsmesseradaptern des Armes und der Schulter des Motivs.
      HINWEIS: Die Positionen der Beschleunigungsmesser sind wie in Abbildung 1dargestellt. Die Standortauswahl des dreiachsigen Beschleunigungsmessers am linken Griff des Handtraktors sollte so nah wie möglich an der linken Hand des Bedieners liegen.
   4. Passen Sie die Ausrichtung der dreiachsigen Beschleunigungsmesser an der Hand so an, dass sie mit dem Basiskoordinatensystem (Abbildung 4) für die Messung von Hand-Arm-Vibrationen übereinstimmen, siehe ISO 5349-1 Standard⁴. Mit Klebeband die Beschleunigungsmesserkabel auf der Hautoberfläche des Arms des Motivs und am Lenker des Traktors sichern.
2. Griffkraftmessung
   HINWEIS: Ein Dünnschicht-Druckmesssystem^15,16 wurde mit zwei widerstandsempfindlichen druckempfindlichen Sensoren, einem Single-Chip-Controller und einer LED-Anzeige entwickelt und vor der Messung kalibriert, wie in Abbildung 5dargestellt.
   1. Befestigen Sie zwei Dünnschichtsensoren symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten um die Mittelachse des Griffs mit doppelseitigem Klebeband.
   2. Platzieren Sie den Bildschirm des Sensorsystems in einer bequemen Höhe, damit der Betroffene die Griffkraft während des Betriebs des Handtraktors überwachen und auf das angegebene Niveau einstellen kann.
3. Motordrehzahlmessung
   HINWEIS: Die Motordrehzahl bezieht sich auf die Umdrehungen pro Minute (RPM) des Propellers des eingesetzten Handtraktormotors, der der Drehzahl der Motorrolle entspricht. Ein Laser-Tachometer wurde verwendet, um die Motordrehzahl während des Betriebs zu kalibrieren und zu überwachen.
   1. Befestigen Sie ein Stück retroreflektierendes Klebeband (ca. 10 × 10 mm) zur Lasertachometermessung an der Motorrollenoberfläche.
   2. Stellen Sie den Tachometer in einer richtigen Höhe und senkrecht zum retroreflektierenden Band.
4. Haltungsmessung
   1. Weisen Sie das Subjekt an, den Griff zu halten und auf eine horizontale Position zu heben. Messen Sie die Hand- und Armhaltung des Motivs mit einem digitalen Goniometer.
      HINWEIS: Die fünf Winkel^17, die zur Beschreibung der Hand- und Armhaltung während des Betriebs des Handtraktors verwendet werden, sind in Abbildung 6dargestellt. Die in diesem Experiment gemessenen Haltungswinkel der Probanden sind in Tabelle 2dargestellt.
   2. Bitten Sie den Betreffenden, die Haltung bis zum Ende der Studie beizubehalten.

4. Experimentier- und Datenerfassung

1. Starten Sie den Handtraktor neutral und halten Sie ihn mit einer niedrigen Motordrehzahl (ca. 1500 Rpm) für ca. 30 s, bis er sich stabilisiert.
2. Schalten Sie den Tachometer, das Dünnschichtdruckmessgerät, den Laptop-Computer bzw. das Beschleunigungsdatenerfassungssystem ein.
3. Öffnen Sie die Datenerfassungssoftware, und erstellen Sie eine neue Datei für jedes Thema. Legen Sie die Parameter Beschleunigung, Erfassungsmodus und Abtastrate für die Datenerfassung fest.
   HINWEIS: Um die genaue Charakterisierung des HTV zu erhalten, sollte die Abtastrate nicht weniger als 1500 Hz betragen. In dieser Studie wurde die Abtastrate auf 1650 Hz festgelegt. Bei verwendungsgemäßerer Abtastrate für die Datenerfassung wurde ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz bei 1500 Hz empfohlen, die Lärmeinflüsse wie die irrelevanten Hochfrequenzbeiträge zu entfernen.
4. Klicken Sie auf ausführen und warten Sie etwa 10 s, bis das System stabilisiert ist. Klicken Sie dann auf Aufzeichnen, um mit der Aufzeichnung der Beschleunigungsdaten zu beginnen.
5. Einstellung der Motordrehzahl und Griffkraft
   HINWEIS: Wie in Abbildung 7dargestellt, wurde dieses Experiment mit drei Stufen der Motordrehzahl (1500, 2500 und 3500 U/min) und drei Stufen der Griffkraft (20, 30 und 40 N) während jeder Studie durchgeführt. Die ungefähre Dauer der HTV-Tests jedes Faches beträgt 6 min.
   1. Bitten Sie den Betreffenden, den Tachometer zu überwachen und die Motordrehzahl auf 1500 Umdrehungen anzustellen, bis sie sich stabilisiert hat.
   2. Weisen Sie das Motiv an, die Griffkraft sorgfältig auf 20 N einzustellen, indem Sie die angezeigten Kraftsignale des Dünnschichtdruckmesssystems betrachten, und halten Sie diesen Griffkraftpegel für ca. 30 s.
      HINWEIS: Die Einstellung der Griffkraft bezeichnet die Erhöhung oder Abnahme des Drucks zwischen der Hand und dem Lenker des Handtraktors. Die Probanden sollten die Einstellung der Griffkraft durchführen, indem sie den Lenker fester oder leichter halten.
   3. Stellen Sie die Griffkraft auf 30 N ein und halten Sie ca. 30 s. Passen Sie dann die Griffkraft auf 40 N an und halten Sie etwa 30 s.
   4. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 2500 Umdrehungen pro Minute ein und wiederholen Sie die Schritte 4.5.2 und 4.5.3.
   5. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 3500 Umdrehungen pro Minute ein und wiederholen Sie die Schritte 4.5.2 und 4.5.3.
6. Bitten Sie den Antragsteller, den Gasschalter auf die niedrigste Motordrehzahl zu drehen. Legen Sie den Griff ab und fahren Sie den Motor des Handtraktors herunter.
7. Speichern Sie die Daten, und fahren Sie das Datenerfassungssystem herunter. Entfernen Sie die Beschleunigungsmesser und legen Sie sie auf das nächste Motiv.
8. Wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.7 bis zum Ende der Datensammlungen aller Themen.
9. Exportieren Sie die Beschleunigungszeitreihendaten für weitere Analysen.

5. Datenverarbeitung und -analyse

1. Importieren Sie die aufgezeichneten Vibrationszeit-Domänensignale in die MATLAB-Software. Berechnen Sie die Wurzel-Mittel-Quadrat-Werte (RMS) der Schwingungsbeschleunigung des Handtraktorgriffs, die die Schwingungsbelastung während des Betriebs des Handtraktors darstellen, mit der Gleichung (1):
   (1)
   wobei ein_RMS das RMS der Schwingungsbeschleunigung (m/s²) ist, das für jedes 1/3. Oktavband berechnet wird, a(t) die gemessene Schwingungsbeschleunigungsamplitude (m/s²) und T die Dauer der gemessenen Schwingungsbeschleunigung (s) ist.
   HINWEIS: In ISO 5349-1 Standard ist es wichtig, RMS-Beschleunigung zu verwenden, um die Größe der Schwingungen darzustellen, die auf die Hände des Bedieners übertragen werden.
2. Berechnen Sie die RMS-Werte der Schwingungsbeschleunigung an Hand, Handgelenk, Arm und Schulter jedes Subjekts mit Gleichung (1). Berechnen Sie die Schwingungstransmissibilität (TR) mit Gleichung (2)^1,14:
   (2)
   wobei ein_in die Griffschwingung für HTV ist, und ein_Out ist die jeweilige Schwingung an den sechs Stellen des Hand-Arm-Systems des Motivs (siehe Abbildung 2).
   HINWEIS: Gemäß ISO 5349-1 können die Faktoren (mit Ausnahme der Griffkraft und der Vibrationsfrequenz) die Ergebnisse der handübertragenen Schwingungsmessung beeinflussen: Geschicklichkeit des Bedieners, Körperhaltung, klimatische Bedingungen, Lärm usw. Um diese Zufallsfaktoren zu verringern, wurden die TR-Werte aller Messstellen der zehn Probanden in dieser Studie gemittelt.
3. Konvertieren Sie die Zeitdomänensignale des Handles in Frequenzbereichssignale durch den schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus (FFT) mithilfe des MATLAB-Programms, um die Eingangsschwingung zu untersuchen.

Ergebnisse

Das Experiment wurde im Labor (Lufttemperatur 22,0 °C ± 1,5 °C) an zehn gesunden Probanden(Tabelle 2) während des Betriebs eines Handtraktors in einem stationären Zustand durchgeführt.

Im Anschluss an das Protokoll wurden Schwingungsbeschleunigungsdaten aus dem Griff des Handtraktors sowie der Hand, des Handgelenks, des Arms und der Schulter jedes Motivs gesammelt. Das Spektrum der Schwingungsbeschleunigung, die am Griff (Eingang zur Hand) auftritt, wurde erreicht.

Diskussion

Das in dieser Studie vorgestellte Protokoll wurde auf der Grundlage der HTV-Normen^4,5,^24"erstellt und als Standardschritte für die Messung des HTV des menschlichen Hand-Arm-Systems während des Betriebs eines Handtraktors in einem stationären Zustand entwickelt. Dieser Zustand ist der stabilste Zustand des Handtraktors, um die zuverlässige Messung der tatsächlich auf Hand und Arm übertragenen Schwingungen zu gewährleisten....

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Accelerometers	PCB Piezotronics Inc.	352C33, 356A04	Used to measure vibration signals. Including 2 tri-axial accelerometers and 5 single-axis accelerometers.
CompactDAQ System	National Instruments	cRIO-9045,NI-9234 C	Used for acceleration acquisition. The system consists of a chassis and 3 data acquisition cards.
Digital caliper	Sanliang	160800635	Used to measure dimensions of the hand.
Digital goniometer	Sanliang	802973	Used to measure hand and arm posture.
Laptop computer	Lenovo	Ideapad 500s	To run the softwares.
Matlab	MathWorks Inc.	Version 2020a	Used for data processing.
NI SignalExpress	National Instruments	Trial version 2015	Use to acquire, analyze and present acceleration data.
Tachometer	Sanliang	TM 680	Used to measure engine speed.
Thin-film pressure sensing system	YourCee	n/a	Used to measure grip force. The system consists of 2 thin-film sensors, a STM32 singlechip and a LED display.