1: Eliminering av skadliga vibrationer från maskiner

med slående mekanismer

2: Brister i vibrationsstandarden ISO 5349 och vilka

följder detta får

Handöverförda

vibrationer 2016-09-08

Hans Lindell hans.lindell@swerea.se ???

Projektet: Vibrationer i Stenindustrin

Mejselmaskin med

ATVA-dämpare (AutoTuning Vibration Absorber)

Mejselmaskin

- Halverad vikt, 6,5 kg mot tidigare 17 kg.

- Vibrationer < 2,5 m/s2, (18 m/s2 befintlig)

- Lägre matningskraft

- Lägre mejselförbrukning

- Effektivare dammutsug

- Bättre ergonomi

- Nollserie 5 st, komponenter klara i sept.

Noll Vibrationsskador (Vinnova UDI)

• Projekttid: 2015-05-15 - 2017-08-31

Projektmål:

Maskiner behöver inte vibrera och

skada människor!!!!!

Angreppssätt

1. Konstruera om roterande och translaterande maskiner så att de

vibrerar under 2,5 m/s2 hand-armvägd acceleration.

2. Uppmärksamma risken med transienta vibrationer och åtgärda

dessa på maskinerna.

Problemet

Orsakerna till vibrationer European Risk Observatory Report

(2008)

Problemet

Orsakerna till vibrationer European Risk Observatory Report

(2008)

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

R

R

R

R+M

R+M

Roterande maskiner - Balansring eliminerar obalanser

Motordrivna maskiner m fl - Exempel gräsklippare

System 1

System 2

Vibrations isolatorer

Projektets struktur

Maskinkandidater för ombyggnad

Vibrationsstandarden ISO 5349,

missar den något?

14

Transienta vibrationer

Var kommer dom från?

European Risk

Observatory

Report (2008)

T

T

T

T

T

T

T

ISO 5349-1:2001

16

Hur ser “transienta” och “normala” vibrationer ut

över 1250 Hz?

Hur hanterar ISO 5349 dessa?

17

Vibrationsmätning vid höga frekvenser

- Nya MEMS givare öppnar möjligheter

Accelerometer: PCB 3501A2060KG

Max acc: 600 000 m/s2

Vikt: 0.15 gram (0.04 gram)

Res. Frekvens: 150 kHz

2 dB Frekvens: 50 kHz

Fastsättning: ”Vax eller häftmassa fungerar up till 50 kHz

Samplingshast: 1 MHz

Alias filter: 4:th order LP Bessel 200 kHz

Digital filtering: 6:th order LP Bessel 50 kHz

18

19

Mutterdragare - Med och utan ISO 5349 filtrering

20

Slipmaskin - Med och utan ISO 5349 filtrering

Jämförelse Mutterdragare mot Slipmaskin

Grinder=5 m/s2haw

Impact wrench=5 m/s2haw

21

Påverkar högfrekventa vibrationer >1250 Hz

fingret?

- Modellering av finger med skinn

- Simulering av tryckvågspropagering

22

a

b bc c

Modellering av fingeravtryckets geometri

Epoxyavgjutning, 5 N tryck Confocal mikroskop

Analyserad yta

Utsida

Insida

Fingeravtryckets parametrar

a = 0.22 mm ± 0.04 mm

b = 0.06 mm ± 0.02 mm

c = 0.06 mm ± 0.01 mm

d = 133° ± 12°

e = 132 ° ± 14 °

23

Skinnets dimensioner och materialparametrar

Marks (2004).

Stratum corneum

24

25

Transient ickelinjär explicit FEM-simulering

• 2D plain strain simulation

• Isotropic viscoelastic material

• Density 1g/cm3

Material data + geometric data sources:

• M. Gerling: A literature review of the mechanical behavior of the stratum corneum, the living

epidermis and the subcutaneous fat tissue. Technical note PR-TN 2006/00450, Philips

Research Europe, 2006

• F. M. Hendriks: Mechanical Behavior of Human Skin in Vivo. A Literature Review. Report

2001/820, Philips Electronics, 2001

• M. F. Leyva-Mendvil, A. Page, N.W. Bressloff , G. Limbert: A mechanistic insight into the

mechanical role of the stratum corneum during stretching and compression of the skin. J. of

the Mech. Behavior of biomedical materials. 49 (2015), 197-219.

• M. Gerling: In vitro mechanical characterization of human skin layers: stratum corneum,

epidermis and hypodermis, Dissertation, Technical University Eindhoven, 2006

• Stephanie Marchesseau, T. Heimann, S. Chatelin, R. Willinger, Herve Delingette. Fast

porous visco-hyperelastic soft tissue model for surgery simulation: Application to liver

surgery. Progress in Biophysics and Molecular Biology, Elsevier, 2010, 103 (2-3), pp.185-

196.

80 μm

20 μm

Material Shear Modulus Bulk Modulus

Soft Tissue Finger 0.0017 MPa - 0.017 MPa 2190 MPa

Epidermis 0.021 MPa – 0.2 MPa 2190 MPa

Stratum Corneum 0.600 MPa – 10 MPa 2190 MPa

Variant 002k-1b:

• Accelerationpuls (Period: 0.01 ms (100 kHz); Amplitude: 10 000 m/s2)

• Simulation time: 0.1 ms

0.01 ms: max. pressure 0.1 bar

0.02 ms: min. pressure 0.22 bar 0.05 ms: max pressure 0.03 bar

0.06 ms: min pressure -0.05 bar

0.09 ms: max pressure 0.08 bar

[m/s

2]

Pressure [MPa]

Pre

ssu

re [M

Pa

]

Pressure development versus time

Variant 002k-1d:

Är transienta vibrationer ett problem?

28

Studie 1: Transient vibration from impact wrenches: Vibration negative effect on blood

cells and standards for measurement Lindell H, Lönnroth I, Ottertun H., 8:th Int. Conference on Hand-Arm Vibration, 1998, Umeå, Sweden

Test case Peak vibration

amplitude, (m/s2 )

Measured ISO5349

vibration, (m/s2)

Lysis (%) after

15 min exposure

Impact wrench handle 15 000 2.2 0.4

Impact wrench socket > 30 000 10 100

Grinder handle while grinding 1 000 7.1 0.1

29

Studie 2: Effect of impulsive vibration on red blood cells

in vitro Scand J Work Environ Health 2005;31(4):286-90. Hideo Ando, MD, Kalevi Nieminen, Esko Toppila, PhD, Jukka Starck, PhD, Tatsuya Ishitake, MD

30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

50 100 150 200 250 300

Peak acceleration (k m /s2)

Dam

age to red

blood

cell (%)

*

**

Effect of impulsive vibration on red

blood cells in vitro (Scand J Work Environ Health 2005;31(4):286-90.

Hideo Ando, MD, Kalevi Nieminen, Esko Toppila, PhD, Jukka Starck, PhD, Tatsuya

Ishitake, MD

Blood before exposure

Blood after vibration exposure

31

Studie 3: Dandanell, Engström (1986) Vibration from riveting tools in the frequency range 6 Hz-10MHz and Raynaud's phenomenon

Scand J Work Environ Health

Subject 288 riveters

>10 year of work exposure

1 min/day on average

10 m/s2haw Rivet hammer

11 m/s2haw bucking bar

50 % Raynaud’s phenomenon

32

Studie 4: L Barregard, L Ehrenström,

K Marcus (2003) Hand-arm vibration syndrome in Swedish car

mechanics Occup Environ Med

- Mainly Impact Wrenches approx. 3.5 m/s2

- 10 min/day

Conclusion: “HAVS is common among Swedish car

mechanics in spite of short daily exposure times. This

underlines the need for preventive measures.”

33

Studie 5: Govinda R. Reiley D. et al. (2011)

Vibration from a riveting hammer causes severe nerve damage in the rat tail

model, Muscle&Nerve, Volume 44, Issue 5, p. 795–804

Summary: Severe nerve damages in rat tail

Studie 6: Bernesjö S. (2015)

Vibration screening at Mechanical Industry in assembly line (Impact

wrenches)

Summary: 33% HAVS prevalence from mainly impact wrenches

34

Om transienta vibrationer är ett problem,

kan vi då bli av med dem?

JA!

35

Vibrationsisolerad

mothållsnyckel Transient reduktion: 8 000 => 150 m/s2

ISO 5348 reduktion: 13 => 6 m/s2

36

Mutterdragare: CP-734

37

Hur får vi det att hända något om vi vill det?

Forskning Standard Incitament Förändring

Användarkrav

38

Sammanfattning

- HögFrekventa Vibrationer (HFV) propagerar in i fingrets vävnad och

skapar en tryckvåg

- Fingrets skinn har en relativt liten dämpning av tryckvågen

- HFV kan sannolikt orsaka skador på fingrets vävnad

- ISO 5349 kan inte användas för bedömning av HFV vilket den heller

aldrig varit avsedd för

- Det finns ett behov av ett tillägg till ISO 5349 för HFV för att skapa

incitament för åtgärder hos tillverkare och användare

39