摘要
为探究拖拉机方向盘手传振动传递规律，减少拖拉机驾驶员手传振动暴露量，预防手臂振动病发生，本研究以某拖拉机方向盘与驾驶员手臂系统为研究对象，采用ISO 5349评价体系对拖拉机在2种不同路况下的手传振动进行综合评价，并对不同百分位驾驶员手臂系统进行振动传递特性分析。结果显示，该拖拉机的日振动暴露量为4.257 m/
拖拉机作为农业作业中的关键动力来源，被广泛应用于农业作业过程中的各个环节。由于受到传动系统运转、自身结构特点以及农田不平度等影响，拖拉机在作业过程中会不可避免地产生强烈的振动，通过机体传递到驾驶员的振动会显著影响驾驶员的操纵舒适性，严重情况下还可能威胁到驾驶员的人身安全。通过方向盘传递到人体手臂系统的振动被称作手传振动，长期接触手传振动会引起末梢循环、末神经和骨关节肌肉系统的障碍，严重情况还会发展为国家法定职业病手臂振动
目前，国内外学者对手传振动相关问题进行了大量的研究，包括了手传振动的评价方法、传递规律以及防护手段等。经过多年的发展，手传振动主要形成了2种评价体系，分别是吸收功率法与ISO 5349评价体系。吸收功率法的评价指标是人体吸收机械功率的大小，即振动能量沿人体全身衰减传递过程中振动能量随时间的变化
本研究以拖拉机方向盘与驾驶员手臂系统为研究对象，基于ISO 5349评价体系对拖拉机方向盘手传振动进行评价，同时对不同百分位驾驶员手臂系统的振动传递特性进行测试分析，探究手传振动传递规律，旨在为减少拖拉机驾驶员手传振动暴露量以及预防手臂振动病发生提供指导和依据。
比较吸收功率法与ISO 5349评价体系2种评价方法，ISO 5349评价体系以频率计权振动加速度均方根值为评价指标计算更为便捷，评价体系更为完善。因此，本研究采用ISO 5349评价体系作为拖拉机的手传振动测量与评价标准。
1）ISO 5349评价体系简介。ISO 5349评价体系在对手传振动进行评价时主要是基于3个轴向的振动总值进行评
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2）手传振动限值计算。计算出的日振动暴露量即可用于手传振动的评价，但ISO 5349评价体系并未规定具体的安全振动暴露限值，只给出了具有参考价值的报告以及手臂振动病患病率的预测函数，认为日振动暴露量小于2 m/
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试验所用拖拉机为东方红LX804型轮式拖拉机，长、宽、高分别为4 350、2 170、2 740 mm，整机质量3 675 kg，发动机额定转速为2 300 r/min。振动测量仪器为波兰Svantek SV106手传振动分析仪和SV105A手臂振动加速度传感器（
图1 试验所用仪器与设备
Fig.1 Sensor and equipment of test
A：SV106人体振动测量仪 SV106 human body vibration measuring instrument；B：SV105A手带式加速度传感器 SV105A hand belt acceleration sensor.
晴天，试验地点分别选择在沥青路面与收割过的耕地上，其中沥青路面与耕地的路面不平度分别是D级和F
图2 方向盘测点布置
Fig.2 Arrangement of steering measuring point
A：ISO 5349规定方向盘测点位置The measuring point position on steering wheel of ISO 5349；B：试验中方向盘测点Measurement point of steering wheel in test.
图3 手臂测点布置
Fig.3 Arrangement of arm measuring points
A：手背测点 Back of the hand measuring point； B：小臂测点 Forearm measuring point； C：大臂测点 Upper arm measuring point.
所有受试者均可熟练地操控拖拉机，且在进行试验前24 h内未经历剧烈运动。试验前对拖拉机与测量装置进行检查调试，确定拖拉机无故障且工作状态良好，同时保证测量装置电量充足，按照ISO 5349评价体系对数据采集系统进行参数设定。试验时要求驾驶员以正常握力握紧方向盘，测试过程中保证测试手臂不离开方向盘。此外，不同百分位驾驶员试验前对拖拉机座椅进行调节，保证座椅处于舒适位置。试验需要分别测量拖拉机在沥青路面上以中二档位行进与在耕地上以低二档位行进时的振动数据，待拖拉机的发动机运行稳定且分析仪上各轴向振动的幅值已趋于平稳时，采集拖拉机方向盘以及手臂各测点的振动数据。每个测点测3次，每次用时为1 min（
图4 测试现场图
Fig.4 Test scene diagram
A：沥青路 Asphalt road； B：耕地 Arable land.
通过振动测试系统的后处理软件Supervisor对2种路况下的方向盘测点数据进行频谱分析，并根据ISO 5349评价体系计算6.3~1 250 Hz频率范围内方向盘的各轴向1/3倍频程加速度均方根值，且所有样本的振动幅值都采用线性平均进行均方根平均，结果如
图5 2种路况行进时方向盘处1/3倍频程振动加速度均方根值
Fig.5 RMS value of 1/3 octave vibration acceleration at steering wheel on two road conditions
A：X轴 X-axis；B：Y轴 Y-axis；C：Z轴 Z-axis.
根据拖拉机在2种路况行进时各轴向的1/3倍频程谱，计算各轴向的加速度均方根值、振动总值以及 8 h等能量频率计权振动总值即日暴露量A（8），如
| 路况Road condition | ahwx/ （m/ | ahwy/（m/ | ahwz/（m/ | ahv/（m/ | Ti/h | A(8)/（m/ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 沥青路 Asphalt road | 1.077 | 2.775 | 1.079 | 3.166 | 0.5 | 4.257 |
| 耕地 Arable land | 1.400 | 4.002 | 0.831 | 4.320 | 7.5 |
由于拖拉机在沥青路路况行进时方向盘振动比较稳定且驾驶员操纵比较平顺，其振动响应趋势较为明显，故选用对沥青路路况行进时的驾驶员手臂系统进行振动传递特性分析。利用Supervisor对沥青路路况行进时驾驶员手臂各测点数据进行频谱分析，可得到不同百分位驾驶员手臂各测点的振动响应，如图
图6 第五百分位驾驶员手臂各测点处1/3倍频程振动加速度均方根值
Fig.6 RMS value of 1/3 octave vibration acceleration at each measuring point of the fifth percentile driver’s arm
A：手背 Back of the hand；B：小臂 Forearm；C：大臂 Upper arm.
图7 第五十百分位驾驶员手臂各测点处1/3倍频程振动加速度均方根值
Fig.7 RMS value of 1/3 octave vibration acceleration at each measuring point of the 50th percentile driver’s arm
A：手背 Back of the hand； B：小臂 Forearm； C：大臂 Upper arm.
图8 第九十五百分位驾驶员手臂各测点处1/3倍频程振动加速度均方根值
Fig.8 RMS value of 1/3 octave vibration acceleration at each measuring point of the 95th percentile driver’s arm
A：手背 Back of the hand； B：小臂 Forearm； C：大臂 Upper arm.
振动传递率（vibration transmissibility，TR）是研究振动传递特性的典型评价指标，广泛应用于分析接振系统的振动传递与耗散规律。人体对振动的吸收与耗散是造成手臂振动病的关键因素，通过分析人体手臂各关键节点处的振动传递率可以清晰地看出振动在手臂系统中的耗散情况。振动传递率的定义为在频率范围内接振系统某点位的振动响应与振源处的振动激励之
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根据
图9 各百分位驾驶员手臂测点振动传递率
Fig.9 Vibration transmission rate of each percentile driver arm measuring point
A：垂直于手臂向内方向 Perpendicular to the arm inward direction；B：沿手臂向上方向 Upward along the arm.
观察垂直于手臂向内和沿手臂向上2个方向发现。8 Hz的振动从小臂传到大臂处时有明显的下降趋势，说明8 Hz的振动从小臂经过肘部传向大臂的过程中在左右（垂直于手臂向内）和前后（沿手臂向上）方向被大量耗散，而63 Hz的振动从手背传到小臂时有明显的下降趋势，说明腕部在左右（垂直于手臂向内）和前后（沿手臂向上）方向吸收耗散了大量63 Hz的振动。此外，在沿手臂向上方向中，16 Hz的振动从小臂传向大臂时也被大量吸收耗散掉，说明16 Hz的振动从小臂经过肘部传向大臂的过程中在前后（沿手臂向上）方向也被大量耗散掉。
此外，分析不同百分位驾驶员的手臂振动传递率，对于不同百分位驾驶员的各轴向和测点的振动传递率整体趋势是一致的，但各轴向的手背测点的振动传递率随着驾驶员体型变大而减少，说明体型越小的驾驶员对方向盘振动的放大效应越强。不仅如此，小体型驾驶员在各频率段的手背振动传递率>小臂振动传递率>大臂振动传递率，说明振动沿手臂整地呈现衰减趋势，而随着体型的增大，在低频范围（20 Hz以下）的振动从手背传递到小臂过程中有明显的增大，说明体型越大的驾驶员在低频振动由手背经过腕部传递到小臂过程中具有更强的放大效应。因此，在工程实际中，小体型驾驶员要注意手掌的振动防护，而大体型驾驶员更应注重手腕部分的振动防护。
本研究基于ISO 5349评价体系对拖拉机的手传振动进行复合评价，并对驾驶员的手臂系统进行了振动测试，运用振动强度、振动传递率等方法分析了不同百分位驾驶员手臂各测点的振动传递特性。
研究结果显示，拖拉机在1个工作日以L2挡位在耕地行驶7.5 h，以M2挡位在沥青路面行驶0.5 h，其日振动暴露量为4.257 m/
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