Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 Normen4,5 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 Testbedingungen6,7,8,9,10,11,12,13, 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 HTV7,8sein 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.
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Protocol
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
- 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. - 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. - Entfernen Sie die Staubabdeckung der Motorrolle, um die Motordrehzahl während des Experiments bequem mit einem Tacho zu kalibrieren.
- Entfernen Sie die elastomeren Materialien der Griffe nach ISO 5349-2 Standard5.
2. Themenvorbereitung
- 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.
- 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.
- Bitten Sie die Probanden, ärmellose oder kurzärmelige Kleidung zu tragen und Uhren, Armbänder, Ringe usw.zu entfernen.
- 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.
- 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. - Weisen Sie jedes Subjekt an, wie der Handtraktor betrieben und wie die Motordrehzahl von 1500 auf 3500 Umdrehungen pro Minute geregelt werden kann.
- 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. - 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
- 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.- Sammeln Sie vor Beginn einer Messung alle Komponenten des Messsystems (Beschleunigungsmesser, Datenerfassungssystem, Dünnschichtdruckmesssystem, Tachometer, digitaler Goniometer und andere relevante Komponenten).
- 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. - 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. - 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.
- Griffkraftmessung
HINWEIS: Ein Dünnschicht-Druckmesssystem15,16 wurde mit zwei widerstandsempfindlichen druckempfindlichen Sensoren, einem Single-Chip-Controller und einer LED-Anzeige entwickelt und vor der Messung kalibriert, wie in Abbildung 5dargestellt.- Befestigen Sie zwei Dünnschichtsensoren symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten um die Mittelachse des Griffs mit doppelseitigem Klebeband.
- 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.
- 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.- Befestigen Sie ein Stück retroreflektierendes Klebeband (ca. 10 × 10 mm) zur Lasertachometermessung an der Motorrollenoberfläche.
- Stellen Sie den Tachometer in einer richtigen Höhe und senkrecht zum retroreflektierenden Band.
- Haltungsmessung
- 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 Winkel17, 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. - Bitten Sie den Betreffenden, die Haltung bis zum Ende der Studie beizubehalten.
- 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.
4. Experimentier- und Datenerfassung
- Starten Sie den Handtraktor neutral und halten Sie ihn mit einer niedrigen Motordrehzahl (ca. 1500 Rpm) für ca. 30 s, bis er sich stabilisiert.
- Schalten Sie den Tachometer, das Dünnschichtdruckmessgerät, den Laptop-Computer bzw. das Beschleunigungsdatenerfassungssystem ein.
- 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. - 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.
- 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.- Bitten Sie den Betreffenden, den Tachometer zu überwachen und die Motordrehzahl auf 1500 Umdrehungen anzustellen, bis sie sich stabilisiert hat.
- 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. - 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.
- Stellen Sie die Motordrehzahl auf 2500 Umdrehungen pro Minute ein und wiederholen Sie die Schritte 4.5.2 und 4.5.3.
- Stellen Sie die Motordrehzahl auf 3500 Umdrehungen pro Minute ein und wiederholen Sie die Schritte 4.5.2 und 4.5.3.
- 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.
- Speichern Sie die Daten, und fahren Sie das Datenerfassungssystem herunter. Entfernen Sie die Beschleunigungsmesser und legen Sie sie auf das nächste Motiv.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.3 bis 4.7 bis zum Ende der Datensammlungen aller Themen.
- Exportieren Sie die Beschleunigungszeitreihendaten für weitere Analysen.
5. Datenverarbeitung und -analyse
- 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 einRMS 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. - 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 einin die Griffschwingung für HTV ist, und einOut 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. - Konvertieren Sie die Zeitdomänensignale des Handles in Frequenzbereichssignale durch den schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus (FFT) mithilfe des MATLAB-Programms, um die Eingangsschwingung zu untersuchen.
(1)
(2)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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. Abbildung 8 zeigt Beispiele der Zeitdomäne und RMS-Frequenzbereichsbeschleunigungen am Griff bei einer Motordrehzahl von 3500 Drehzahlen für eine bestimmte Zeitdauer. Es ist offensichtlich, dass die Schwingungsbeschleunigung die höchste entlang der Y-Achseund die niedrigste entlang der X-Achsewar. Die maximalen Beschleunigungen der X- und Z-Richtungen erfolgten bei einer Frequenz von 58 Hz (das entspricht der Arbeitsfrequenz des Motors, die der Drehzahl von 3500 U/min entspricht). Der größte Teil der Schwingungsenergie wurde im Frequenzbereich von 50 bis 200 Hz zentralisiert. Mit demselben analytischen Prozess konnten die Eigenschaften sowohl der Zeitbereichs- als auch der Frequenzbereichssignale erhalten werden, wie z. B. Schwingungsamplitude, Peak, dominante Frequenz usw.
Auch die Einflüsse der Griffkraft und der Motordrehzahl auf die Schwingungsreaktion des Hand-Arm-Systems wurden untersucht. Wie in Abbildung 9dargestellt, wurde beobachtet, dass die Erhöhung der Griffkraft die Schwingungsbeschleunigung insbesondere bei Frequenzen zwischen 20 und 100 Hz erhöhte und drei Resonanzfrequenzen (20, 40 und 80 Hz) mit der Erhöhung der Griffkraft fast linear zunahmen. Dies ist auf die Erhöhung der Kontaktsteifigkeit und Gelenksteifigkeit18,19zurückzuführen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vorgestellten Mess- und Anpassungsmethoden der Griffkraft effektiv auf die HTV-Messung angewendet werden könnten.
Wie in Abbildung 10dargestellt, untersuchte dieses Experiment die Auswirkungen der Eingangsfrequenz auf HTV über die Einstellung der Motordrehzahl auf drei Ebenen (1500, 2500 und 3500 Umdrehungen pro Minute). An der Position der Handrückseite (Abbildung 10A) wurde bei 3500 Umdrehungen pro Minute ein höherer Beschleunigungswert erreicht als bei niedrigeren Motordrehzahlen. Im Gegensatz dazu trat die Spitzenbeschleunigung am Oberarm und an der Schulter(Abbildung 10D, Eund F) bei 1500 Umdrehungen von 1500 Umdrehungen/min auf. Durch den umfassenden Vergleich sowohl der Standorte als auch der spannenden Frequenzen lässt sich schlussfolgern, dass niedrigere Frequenzen im Hand-Arm-System relativ unbehelliiert übertragen wurden, während die Dämpfung für höhere Frequenzen recht ausgeprägt war. So wurde der größte Teil der Schwingungsenergie in Hand und Unterarm abgeführt.
Abbildung 11 zeigt die gemittelte Übertragbarkeit auf den Rücken von Hand, Unterarm, Oberarm und Schulter von den zehn Probanden, die mit einer Motordrehzahl von 2500 Umdrehungen pro Minute und einer Griffkraft von 30 N unterwegs sind. Es wurde festgestellt, dass die Übertragbarkeit auf die verschiedenen Teile des Hand-Arm-Systems mit der Erhöhung des Abstands von der Schwingungsquelle abnahm. Die höchste Übertragbarkeit wurde auf der Rückseite der Hand (Position 1) mit einem Spitzenwert von 5,1 bei etwa 80 Hz beobachtet. Die Verstärkung der Vibration kann auf die Resonanz der Haut am Metakarpal20,21zurückzuführen sein. Im Einklang mit den Ergebnissen früherer Studien22,23betrug die Resonanzfrequenz des Handgelenks (Position 2) und der Ellenbogen (Position 4) Transmissibilität etwa 20 Hz, mit einer Magnitude von etwa 3,0. Zusätzlich lag die Schulter-(Position 6)-Transmissibilitätsspitze bei etwa 10 Hz bei 1,1. Es wurde auch festgestellt, dass nur Schwingungen von weniger als 25 Hz effektiv auf den Unterarm, den Oberarm und die Schulter übertragen wurden. Mit Gleichung (2) in Abschnitt 5.2 und nach dem analytischen Prozess der Übertragbarkeit ist es möglich, die Einflüsse auf die Übertragbarkeit mit unterschiedlichen spannenden Frequenzen und wechselnder Griffkraft zu untersuchen, und es könnte ein vernünftiger Vorschlag gemacht werden, einen Handtraktor für Landwirte zu bedienen.
| Motormodell und -typ | JUWEI FC 170, Benzin, Einzylinder, Viertakter, OHV, Luftdruckgekühlt |
| Gestrichkehrtes Volumen, cc | 208 |
| Nennleistung, kW | 4,0 kW bei 3600 Rpm |
| Maximales Drehmoment, Nm/rpm | 12/2500 |
| Anzahl der Geschwindigkeiten | 2 vorwärts, 1 Rückwärts |
| Startmodus | Rückstoßstart (Zugstart) |
| Trockengewicht des Motors, kg | 19 |
| Gewicht des Handtraktors mit vollem Kraftstofftank, Kühler und Schmierölen, kg | 72 |
| Reifentyp | Gummirad |
| Reifengröße (pneumatisch), mm | 155×330 (350-6) |
Tabelle 1. Spezifikationen des Handtraktors.
| Abmessungen und Haltungen | Minimale | Maximale | Bedeuten | Sd |
| Alter, Jahre | 18 | 37 | 22.6 | 5.6 |
| Gewicht, kg | 50 | 72 | 62.6 | 7.3 |
| Statur, cm | 164 | 179 | 172.1 | 4.7 |
| Unterarm-Handlänge, cm | 22.1 | 26.8 | 25.2 | 1.3 |
| Oberarmlänge, cm | 26.8 | 34 | 31.1 | 2.1 |
| Handlänge, cm | 15.2 | 21 | 17.1 | 1.6 |
| Schulter horizontale Entführung (α), Grad | 22.6 | 31.5 | 27.1 | 3.2 |
| Schulter vertikale Entführung (β) , Grad | 16.5 | 24.2 | 20.7 | 2.6 |
| Ellenbogenverlängerung (γ) , Grad | 134.1 | 169.3 | 150.1 | 10.9 |
| Handgelenkverlängerung () , Grad | 160.5 | 174.8 | 169 | 5.5 |
| Handgelenksabweichung (), Grad | 139.2 | 159.5 | 148.1 | 5.6 |
Tabelle 2. Gegenstand physikalischer Eigenschaften.
Abbildung 1. Das Versuchsprotokoll und die Datenerfassung wurden eingerichtet. Dieses Beispiel zeigt einen einzigen Versuch (von rechts nach links) für die Messung der Körperabmessungen eines Subjekts, das Tragen von 6 Beschleunigungsadaptern, die Bedienhaltung des Handtraktors und die Datenerfassung, die für die Beschleunigung, Griffkraft und Motordrehzahl eingerichtet ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2. Die Standorte der Beschleunigungsmesseradapter. 6 Beschleunigungsmesseradapter wurden in die Positionen der Handrückseite, des distalen Endes des Unterarms, des proximalen Endes des Unterarms, des distalen Endes des Oberarms, des proximalen Endes des Oberarms und des Akromons entlang des Hand-Arm-Systems eingewickelt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3. Schwingungsmessinstrumentation. Die Komponenten des Messsystems wie Beschleunigungsmesser, Datenerfassungssystem, Dünnschichtdruckmesssystem, Tachometer, digitaler Goniometer und andere relevante Komponenten (Computer, Beschleunigungsmesseradapter, Kabel, Maßband, Thermometer). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4. Das basisförmige Koordinatensystem zur Hand-Arm-Schwingungsmessung. Die X-Achsewird parallel zur Längsachse des Griffs definiert. Die Y-Achsewird entlang des dritten Metacarpusknochens der Hand gerichtet. Die Z-Achseist senkrecht zur Palmoberfläche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5. Das Dünnschicht-Druckmesssystem. Dieses System besteht aus zwei Dünnschichtsensoren, einem Single-Chip-Controller und einem LED-Display, um die Echtzeit-Griffkraft anzuzeigen. Die Testdaten können auch durch die serielle Kommunikation auf einen Computer exportiert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6. Die fünf Winkel, die verwendet werden, um die Hand- und Armhaltung zu beschreiben. α beschreibt die horizontale Schulterentführung, β beschreibt die vertikale Schulterentführung, γ die Ellenbogenverlängerung identifiziert, die Handgelenkverlängerung charakterisiert und die Handgelenksabweichung identifiziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7. Einstellung der Motordrehzahl und Griffkraft während des Experiments. Die blauen Balken stellen unterschiedliche Griffkräfte von 20, 30 und 40 N dar. Die roten Linien zeigen die Einstellung der Motordrehzahl von 1500, 2500 bis 3500 Umdrehungen von 1500 R/min an. Daher gibt es 9 Testfälle von 1500 Umdrehungen pro Minute, 20 N bis 3500 Rpm, 40 N. Die Dauer jedes Testfalls beträgt ca. 30 s. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8. Proben der Zeitbereichswellen- und Amplitudenspektren der Beschleunigungen am Griff bei einer Motordrehzahl von 3500 U/min. (A) Die Zeitdomänenwelle und (B) Amplitudenspektren in X-Richtung; (C) die Zeitdomänenwelle und (D) Amplitudenspektren in Y-Richtung; (E) die Zeitdomänenwelle und (F) Amplitudenspektren in Z-Richtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9. Die mittlere Beziehung zwischen Griffkraft und RMS-Schwingungsbeschleunigung, gemessen an sechs Stellen des Hand-Arm-Systems von zehn Probanden: (A) Handrücken; (B) distales Ende des Unterarms; (C) proximales Ende des Unterarms; (D) distales Ende des Oberarms; (E) proximales Ende des Oberarms; (F) Akromion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10. Die mittlere Beziehung zwischen der Motordrehzahl (Frequenz) und der RMS-Schwingungsbeschleunigung, gemessen an sechs Stellen des Hand-Arm-Systems von zehn Probanden: (A) Handrücken; (B) distales Ende des Unterarms; (C) proximales Ende des Unterarms; (D) distales Ende des Oberarms; (E) proximales Ende des Oberarms; (F) Akromion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11. Schwingungstransmissibilität am 1/3. Oktavenband an verschiedenen Stellen im Hand-Arm-System bei einer Motordrehzahl von 2500 Umdrehungen pro Minute und Einer Griffkraft von 30 N. Die 6 Kurven stellen die TR-Werte von der Handrückseite (Position 1) bis zum Akrom (Position 6) dar, wie in der Legende dargestellt. Die gestrichelte Linie ist eine Trennlinie der Schwingungsverstärkung (über dieser Linie) und der Schwingungsdämpfung (unterhalb dieser Linie). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Das in dieser Studie vorgestellte Protokoll wurde auf der Grundlage der HTV-Normen4,5,24"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. Der Bereich der Variablen, die für die Durchführung der Prüfung berücksichtigt werden, über die Einstellung der Motordrehzahl und Griffkraft, deckt den normalen und sicheren Betriebsbereich des Handtraktors ab. Unter Berücksichtigung der Komplexität des Hand-Arm-Systems wurden die experimentellen Ergebnisse aus diesem Protokoll gefunden, die gut mit den in Artikeln über die Eigenschaften der Schwingungsquellen25, Schwingungstransmissibilität1,26und den wesentlichen Faktoren8,27 berichteten, die das Ansprechen des Hand-Arm-Systems während des Betriebs von Handtraktoren beeinflussen.
Die Ergebnisse hängen von einigen kritischen Komponenten dieses Setups innerhalb des Protokolls ab. Erstens, da das Gewicht des Beschleunigungsmessers die Größe der Schwingung des Hand-Arm-Systems20beeinflusst, sollte das Gesamtgewicht des Beschleunigungsmessers und des Adapters so leicht wie möglich sein, um Messfehler zu reduzieren. Zweitens sollte jeder Beschleunigungsmesseradapter am Handarmsystem fest befestigt sein, um eine relative Bewegung zwischen messpunkt und beschleunigungsmesserzuvermeiden. Drittens sollte die Testprüfung jedes Probanden ohne Unterbrechung abgeschlossen werden, um die Wirkung der Betriebshaltung zu verringern.
Die Hauptbeschränkung dieser Studie besteht darin, dass die Schwingungsübertragbarkeit auf das Hand-Arm-System aufgrund des Einsatzes von einachsigen Beschleunigungsmessern an den Stellen von Arm und Schulter nur in der Z-Achsen-Richtung (Abbildung 4) gemessen und analysiert wurde. Obwohl flexible und Dünnschichtsensoren zur Messung der Griffkraft während des Tests eingesetzt wurden, dürften weitere Messanstrengungen entlang der Scherrichtung erhebliche Einblicke in die Charakterisierung und Bewertung von HTV liefern, was eine weitere Einschränkung der vorliegenden Studie darstellt. Darüber hinaus beeinflussen die intrinsischen Faktoren der Bediener, wie körperintheit, Körperhaltung und Hand- und Armgröße, HTV. In einem weiteren Schritt werden weitere Daten gesammelt, um diese Faktoren anhand des vorgestellten Protokolls zu untersuchen.
Dieses Protokoll wird hilfreich sein, um die Schwingungsübertragungseigenschaften des Handtraktor-Hand-Arm-Systems zu verstehen. Die wichtigsten Einsatzmöglichkeiten der vorgeschlagenen Methodik sind die Abschätzung von Mensch-Traktor-Wechselwirkungsphänomenen, die ergonomische Entwicklung von Handtraktoren und die Entwicklung von Schutzvorrichtungen wie Isolatoren und Handschuhen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Natural Science Foundation of Chongqing, China (cstc2019jcyj-msxmX0046), dem Projekt der Chongqing Education Commission of China (KJQN202001127) und dem Projekt der Banan District Science and Technology Commission, Chongqing, China (2020TJZ010) unterstützt. Die Autoren danken Prof. Yan Yang für die Bereitstellung der Testseite. Wir danken auch Dr. Jingshu Wang und Dr. Jinghua Ma für ihre Anleitung zur Verwendung der Schwingungsmessinstrumente. Dank gebührt auch den Probanden für die uneingeschränkte Zusammenarbeit während der Experimente.
Materials
| 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. |
References
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