Guía metodológica para la evaluación de vibraciones en mano-brazo
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Arias Castro, Giovanni de Jesús
Guía metodológica para la evaluación de vibraciones en mano-brazo / Giovanni de Jesús Arias Castro, Ciro Martínez Oropesa.-- Primera edición.-- Cali: Programa Editorial Universidad Autónoma de Occidente, 2021. 114 páginas, ilustraciones.
Contiene referencias bibliográficas.
ISBN: 978-958-619-073-2
1. Vibración. 2. Seguridad industrial. 3. Síndrome vibratorio mano-brazo. 4. Vibración-Mediciones. I. Martínez Oropesa, Ciro. II. Universidad Autónoma de Occidente.
620.86- dc23
Guía metodológica para la evaluación de vibraciones en mano-brazo
© Giovanni de Jesús Arias Castro
© Ciro Martínez Oropesa
ISBN Epub: 978-958-619-073-2
ISBN pdf: 978-958-619-074-9
Primera Edición, 2021
Gestión Editorial
Director (E) de Investigaciones y Desarrollo Tecnológico
Alexander García Dávalos
Jefe Programa Editorial
José Julián Serrano Quimbaya
Coordinación editorial
Pamela Montealegre Londoño
Corrección
Angélica María Grajales
Diagramación y diseño
Melissa Zuluaga Hernández
© Universidad Autónoma de Occidente
Km. 2 vía Cali-Jamundí, A.A. 2790, Cali, Valle del Cauca, Colombia.
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Contenido
PRÓLOGO
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS VIBRACIONES MECÁNICAS
1.1 INTRODUCCIÓN
1.2 VIBRACIONES MECÁNICAS
1.3 DEFINICIÓN FÍSICA DE VIBRACIONES
CAPÍTULO 2. MEDICIÓN DE LAS VIBRACIONES
2.1 INTRODUCCIÓN
2.2 INSTRUMENTOS UTILIZADOS PARA MEDIR VIBRACIONES
2.2.1 Transductor o sensores
2.2.2 Acondicionamiento de la Señal
2.2.3 Analizador de Frecuencias
2.2.4 Sistema de lectura
CAPÍTULO 3. VIBRACIONES EN MANO-BRAZO
3.1 INTRODUCCIÓN
3.2 EXPOSICIÓN OCUPACIONAL A LAS VIBRACIONES EN MANO-BRAZO
3.2.1 Desórdenes Vasculares
3.2.2 Daño Neurológico
3.2.3 Desórdenes Músculo Esqueléticos
3.2.4 Daños Musculares
3.3 EQUIPOS QUE PRODUCEN VIBRACIONES EN MANO-BRAZO
3.4 NORMAS QUE RIGEN LA MEDICIÓN DE LAS VIBRACIONES MANO-BRAZO
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA PARA LA MEDICIÓN DE VIBRACIONES EN MANO-BRAZO
4.1 INTRODUCCIÓN
4.2 METODOLOGÍA PROPUESTA
4.2.1 Descripción
4.2.1.1 Reconocimiento de los procesos y procedimientos expuestos a vibraciones en el segmento mano-brazo
4.2.1.2 Análisis y estudio de operaciones realizadas en el puesto de trabajo en la jornada laboral
4.2.1.3 Reconocimiento de equipos o herramientas que se utilizan en el puesto de trabajo para desarrollar las operaciones
4.2.1.4 Selección de operaciones con exposición a vibraciones en el segmento mano-brazo
4.2.1.5 Selección de equipos para realizar la medición a las vibraciones
4.2.1.6 Desarrollo de mediciones
CAPÍTULO 5. CÁLCULOS MATEMÁTICOS
5.1 INTRODUCCIÓN
5.2 VARIABLES UTILIZADAS PARA LOS CÁLCULOS
5.3 EJEMPLOS MATEMÁTICOS PARA EL CÁLCULO DE VIBRACIONES
5.3.1 Cálculo de la exposición a vibraciones medidas en una fuente
5.3.2 Ejemplos de exposición a vibraciones con varias fuentes
5.3.3 Ejemplo de otras herramientas para determinar la exposición a vibraciones
5.3.4 Factor de Ponderación en frecuencia
CAPÍTULO 6. CASO APLICADO
6.1 INTRODUCCIÓN
6.2 MATERIAL Y MÉTODOS DEL CASO APLICADO
6.3 MEDICIONES Y EVALUACIÓN DE LAS VIBRACIONES
6.4 RESULTADOS
6.4.1 Discusión de resultados
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
PRÓLOGO
En el mundo moderno, cada vez más mecanizado y con avanzados desarrollos tecnológicos, se han mejorado los procesos productivos de forma significativa. Cabe mencionar algunos ejemplos, tales como la técnica en la miniaturización de motores, el perfeccionamiento de mecanismos y el desarrollo de procedimientos de fabricación, los cuales han generado la rápida sustitución de herramientas manuales por máquinas que facilitan el trabajo y mejoran el rendimiento en procesos productivos.
Es innegable que ello ha posibilitado la reducción del esfuerzo físico por parte del ser humano, pero también ha generado nuevos factores de riesgo de origen vibratorio, que han llevado al incremento de personas expuestas a todo tipo de factores de riesgo de naturaleza física y mecánica como causa de la energía mecánica oscilatoria.
El trabajo con equipos o herramientas manuales de origen mecánico, la manipulación de piezas que están siendo mecanizadas o el manejo de elementos de control sometidos a vibración pueden exponer las extremidades superiores de los trabajadores a niveles vibrátiles susceptibles de causar daños de diversa naturaleza a medio o largo plazo. Existe la probabilidad de transmisión de vibraciones a otras partes del cuerpo y, por tanto, los efectos adversos motivados por este fenómeno físico no se restringen sólo a una pequeña área en contacto con la fuente de vibración. Adicionalmente, puesto que ambos tienen un origen a menudo común, las exposiciones a vibraciones suelen ir acompañadas de exposición a importantes niveles de ruido.
La correlación de la exposición a vibraciones mano-brazo produce efectos sobre la salud de las personas expuestas, por lo que diversos grupos de investigadores en el mundo continúan explorando estos aspectos. El conocimiento y valoración de este riesgo con respecto a la prevención ha sido descuidado en ausencia de una regulación específica, cuestión esta última que la Directiva 2002/44/CE y el R.D. 1311/2005 han venido a solventar con el establecimiento de la obligación legal de considerarlo y evaluarlo en países como España.
El propósito de este texto es definir y evaluar una metodología para medir las vibraciones en mano-brazo y los efectos en el ser humano de acuerdo con lo establecido en la norma ISO 5349:200 a fin de establecer criterios de valoración con respecto a este riesgo físico.
Esta metodología se centra en las vibraciones transmitidas a mano-brazo, orientada al estudio del nivel vibracional que se produce en distintas operaciones o actividades de trabajo real con herramientas manuales, entendiendo con este término no sólo las máquinas y herramientas portátiles en sentido estricto, sino también aquellas que se encuentran situadas sobre una plataforma fija o móvil, que necesitan algún tipo de manipulación manual continua por parte del operario.
INTRODUCCIÓN A LAS
VIBRACIONES MECÁNICAS
1.1 INTRODUCCIÓN
En el mundo moderno, cada vez más mecanizado, crece de forma preocupante el número de personas que se ven expuestas a todo tipo de manifestaciones energéticas, no siempre controladas. Uno de estos factores de riesgo de naturaleza física es la energía mecánica oscilatoria, que, en muchos casos, es transmitida a los segmentos superiores del cuerpo humano dando lugar al riesgo por vibraciones de tipo mano-brazo, es decir, al sistema mano-brazo.
Los avances logrados por la técnica en la miniaturización, el perfeccionamiento de mecanismos y en el desarrollo de procedimientos de fabricación han ocasionado la rápida sustitución de herramientas por máquinas de origen vibratorio que facilitan el trabajo y mejoran el rendimiento en procesos productivos.
Las vibraciones mecánicas producidas por maquinarias, equipos o herramientas de trabajo portátiles o manuales, dependiendo de duración, intensidad y forma en que actúan sobre el trabajador, no han sido adecuadamente medidas, lo que se convierte en el origen de problemas o factores desencadenantes de enfermedades laborales que afectan la salud o limitan las capacidades de trabajo, además de causar daños de diversa naturaleza a mediano o largo plazo a los trabajadores expuestos. Por lo anterior, este texto busca diseñar una metodología apropiada basada en la norma ISO 5349:2001 para medir y evaluar las vibraciones producidas en los trabajadores al utilizar herramientas de origen vibratorio.
1.2 VIBRACIONES MECÁNICAS
Existen diferentes definiciones de vibración: vibración mecánica, oscilación, movimiento periódico. A continuación, se describen algunos conceptos utilizados para describir el movimiento de un elemento en función de vibraciones mecánicas.
• “El término vibración comprende todo movimiento transmitido al cuerpo humano por estructuras sólidas capaces de producir un efecto nocivo o cualquier tipo de molestia” (OIT, 2014).
• “Propagación de ondas elásticas que producen deformaciones y tensiones sobre un medio continuo (o posición de equilibrio). En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento repetitivo alrededor de una posición de equilibrio. La posición de “equilibrio” es a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero” (PAC, 2010).
• “La vibración se define como el movimiento oscilante que hace una partícula alrededor de un punto fijo. Este movimiento puede ser regular en dirección, frecuencia y/o intensidad; o aleatorio, que es lo más normal” (Águila Soto, 2002).
De manera general, se puede definir una vibración como un movimiento u oscilación periódico de tipo mecánico de un sistema elástico, alrededor de un punto de equilibrio o específico de referencia, en función del tiempo, que es transmitida al ser humano cuando existen elementos, máquinas, vehículos o herramientas que utilizan algún tipo de motor.
Este fenómeno se caracteriza por la amplitud o desplazamiento de la partícula, su velocidad y su aceleración. En este sentido, los términos para describir una vibración son:
• La Frecuencia.
• La Amplitud.
• La Aceleración.
1.3 DEFINICIÓN FÍSICA DE VIBRACIONES
El estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos oscilatorios de cuerpos y a las fuerzas asociadas con estos. La vibración, en general, es una forma de energía disipada y en muchos casos es inconveniente, especialmente en máquinas y equipos, debido a que las vibraciones en estos sistemas producen ruido, transmiten fuerzas y movimientos no deseados que pueden afectar el normal funcionamiento de equipos y, por supuesto, la salud de las personas.
A continuación, se definen algunas variables asociadas a las vibraciones de origen mecánico.
• Amplitud: está representada por la distancia entre el punto de equilibrio y la máxima distancia de alejamiento hasta el punto máximo superior y hasta el punto máximo inferior, es decir, es el valor máximo que puede alcanzar la perturbación en un punto. Esto también se define como la intensidad de la vibración.
• Frecuencia: es el movimiento que realiza el objeto desde que sale de su punto de equilibrio hasta que llega al punto más alejado superior, luego hasta el punto más elevado inferior y luego llega nuevamente a su punto de equilibrio, es decir, es el número de oscilaciones completas que realiza la vibración cada segundo, a este movimiento se le denomina ciclo. La frecuencia de vibración se expresa como la cantidad de ciclos por segundo (hertzios, Hz).
El contenido de frecuencia de la vibración puede verse en los espectros. En muchos tipos de vibraciones de cuerpo completo y de vibraciones transmitidas a las manos, los espectros son complejos, produciéndose algo de movimiento a todas las frecuencias.
• Aceleración: es la velocidad del objeto en movimiento que pasa de un valor cero en los puntos extremos (cambio de sentido del movimiento) a un valor máximo cuando pasa por el punto de equilibrio. La velocidad normalmente se expresa en m/s.
La aceleración es una medida de cuán rápido varía la velocidad el cuerpo en movimiento. La aceleración se mide en m/s2 y es habitual que esta sea la unidad medida cuando se trata de evaluar vibraciones.
Otras características físicas de las vibraciones que se deben tener en cuenta son:
• Magnitud: la magnitud es una oscilación puede expresarse como la distancia entre los extremos alcanzados por el movimiento (valor pico-pico) o como la distancia desde algún punto central hasta la desviación máxima (valor pico). La magnitud de la vibración se expresa como el valor promedio de la aceleración del movimiento oscilatorio.
• Dirección: las vibraciones pueden producirse en tres direcciones lineales y tres rotacionales. En el caso de personas sentadas, los ejes lineales se designan como eje x (longitudinal), eje y (lateral) y eje z (vertical). Las rotaciones alrededor de los ejes x, y y z se designan como rx (balanceo), ry (cabeceo) y rz (deriva), respectivamente. Las vibraciones suelen medirse en la interfase entre el cuerpo y las vibraciones.
• Duración: la respuesta humana a las vibraciones depende de la duración total de la exposición a las vibraciones.
Por otro lado, las vibraciones encontradas en la práctica poseen características que no son homogéneas, debido a los diferentes elementos que constituyen los sistemas que son generadores de las mismas y a la combinación de diversas cantidades de señales senoidales. Esta es una de las razones que originan la clasificación de las vibraciones según el tipo de oscilación.
Las oscilaciones se clasifican según:
• La parte del cuerpo a la que afectan
» Vibraciones globales (afectan al cuerpo en su totalidad).
» Vibraciones parciales (afectan al sistema mano brazo).
Figura 1. Componentes físicos de una vibración
Fuente: Elaboración propia.
• Las características físicas de la señal
» Vibraciones libres, periódicas o sinusoidales, cuando no existen fuerzas externas que modifiquen la amplitud de las sucesivas ondas.
» Vibraciones no periódicas (choques).
• Su origen
» Vibraciones producidas en procesos de transformación.
» Vibraciones generadas por el funcionamiento de la maquinaria.
» Vibraciones debidas a fallos de la maquinaria o los materiales.
• El concepto a estudiar
» Vibraciones lineales.
» Vibraciones no lineales.
Las oscilaciones de vibración de acuerdo a sus características físicas generan dos grandes grupos: oscilaciones con movimientos determinísticos y oscilaciones con movimientos aleatorios, estos grupos a su vez se subdividen en otros grupos como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Tipo de oscilaciones
Fuente: Elaboración propia.
Los tipos de movimientos oscilatorios vibrantes poseen características físicas que se pueden expresar de manera matemática. La forma de vibración más simple es una onda senoidal, que presenta un espectro con una sola frecuencia y con características de tiempo bien definidas.
La expresión matemática para una vibración simple representada por medio de una onda senoidal es:
Desplazamiento (m):
Velocidad (m/s):
Aceleración (m/s2):
Otros parámetros matemáticos que se pueden obtener en una vibración de tipo senoidal simple y que son de suma importancia para el análisis de las mediciones de las vibraciones son:
• Valor pico-pico: diferencia algebraica entre los valores máximos positivo y negativo.
» Valor pico: valor máximo de una magnitud en un intervalo dado.
» Valor eficaz o cuadrático (RMS): también llamado valor equivalente.
» Valor promedio: es el valor promedio de la magnitud medida.
• Factor de cresta: cociente entre el valor pico y el valor equivalente. Para el valor equivalente se debe tomar al menos 60s.
» Factor de forma: relación entre valor eficaz y valor medio.
Figura 3. Otros Factores Importantes de las Vibraciones
Fuente: Elaboración propia.
El desplazamiento de la vibración se mide en valor pico-pico y se utilizan unidades de milésimas de pulgada (mils) o micrómetro. La velocidad de vibración se mide en valor pico y se usan las unidades de pulgada por segundo (in/s) o milímetros por segundo (mm/s). Por su parte, la variable aceleración de vibración se mide en valor pico y se usa como unidad el gs, donde g es la aceleración de la gravedad 980.665 cm/s2.
Una consideración que se debe tener en cuenta en los conceptos y las características físicas de las vibraciones es el grado de amortiguamiento de estas al penetrar al sistema mano-brazo, y su frecuencia de resonancia.