[논문]손으로 전달된 관리기 진동의 분석과 방진 대책

박영준; 채문권; 김경욱

문제 정의

본 연구는 보행형 관리기의 손으로 전달되는 진동의 특성을 해석하여 관리기의 진동장애 발생기간을 평가하고 그 결과를 이용하여 손으로 전달되는 진동의 감소를 위한 방안을 제시 할 목적으로 수행되었다.
본 연구는 보행형 관리기의 손으로 전달되는 진동특성을 실험적으로 해석하고 평가하며 방진 방안을 제시할 목적으로 수행되었다. 관리기의 작업기 중에서 설문을 통해 사용 빈도가 높은 3개의 작업기(중경로터리, 중경제 초기, 구굴기)를 선정하였고 각 작업기별 진동수준을 측정하였다.

제안 방법

관리기에서 손으로 전달되는 진동가속도의 크기를 측정하고 측정된 신호를 분석하기 위한 신호처리 순서는 Fig. 1과 같으며 3개의 가속도계(piezoelectric accelerometer : B & K, type 4374), 증폭기(charge amplifier : B & K, type 5974), 테이프 레코더(tape recorder : Sony PC₂₀8Ax), 신호 분석기(signal analyzer : B & K, type 3550), 가속도계고정용 어댑터 (handle adapter set : B & K, UA0891), 보정기 (calibration exciter : B & K, type 4294)를 사용하였다.
본 연구는 보행형 관리기의 손으로 전달되는 진동특성을 실험적으로 해석하고 평가하며 방진 방안을 제시할 목적으로 수행되었다. 관리기의 작업기 중에서 설문을 통해 사용 빈도가 높은 3개의 작업기(중경로터리, 중경제 초기, 구굴기)를 선정하였고 각 작업기별 진동수준을 측정하였다. 진동방지 방안에 대해서는 4개의 방진장치(고무 패드, 방진장갑, 핸들 방 진 장치, 엔진마운트)를 선정하여 각방진 장치별 진동수준을 측정하였다.
관리기의 진동에 의해 가속도계에서 발생되는 전기적 신호를 증폭하기 위해 각각의 가속도계의 감도를 고려하여 증폭기와 테이프레코더의 범위(range)를 설정하였으며 손으로 전달되는 진동량을 측정하기 위해 가속도계를 어댑터에 설치하여 작업자가 작업시 접촉하는 부위인 관리기의 핸들에 흔들리거나 틈이 없게 밀착하였다. 또한 3축 방향의 설정은 ISO 5349T:2001(E)의 생체동역학 좌표계(Biodynamic coordinate system)를 이용하였으며 (Fig.
진동방지 장치의 진동차단 효과시험은 3개의 작업기 중에서 진동가속도의 크기가 가장 큰 구굴기에서 수행되었다. 그리고 그 결과를 구굴기의 진동 발생량과 비교, 분석하였다.고무 패드와 방진장갑의 경우, 200Hz이상의 고주파 성분은 많이 제거되었으나 X방향의 가속도 성분에서 160Hz이하의 저주파 성분이 많이 커졌다.
진동방지 방안에 대해서는 4개의 방진장치(고무 패드, 방진장갑, 핸들 방 진 장치, 엔진마운트)를 선정하여 각방진 장치별 진동수준을 측정하였다. 방진장치의 성능을 정확하게 비교하기 위해 진동의 측정은 진동수준이 가장 높은 구굴기에서 수행되었다.
관리기에서 발생하는 진동가속도의 데이터는 테이프 레코더에 저장되었다. 저장된 데이터는 실험실에서 신호 분석기의 FFT분석과 1/3 옥타브 분석을 이용하여 6.3Hz~ 1250Hz의 주파수 범위에 대하여 분석되었다. 측정의 정확성을 높이기 위하여 측정 전후에 보정기로 가속도계를 보정하였다.
관리기의 작업기 중에서 설문을 통해 사용 빈도가 높은 3개의 작업기(중경로터리, 중경제 초기, 구굴기)를 선정하였고 각 작업기별 진동수준을 측정하였다. 진동방지 방안에 대해서는 4개의 방진장치(고무 패드, 방진장갑, 핸들 방 진 장치, 엔진마운트)를 선정하여 각방진 장치별 진동수준을 측정하였다. 방진장치의 성능을 정확하게 비교하기 위해 진동의 측정은 진동수준이 가장 높은 구굴기에서 수행되었다.
진동방지 장치의 진동차단 효과시험은 3개의 작업기 중에서 진동가속도의 크기가 가장 큰 구굴기에서 수행되었다. 그리고 그 결과를 구굴기의 진동 발생량과 비교, 분석하였다.
3Hz~ 1250Hz의 주파수 범위에 대하여 분석되었다. 측정의 정확성을 높이기 위하여 측정 전후에 보정기로 가속도계를 보정하였다.

이론/모형

관리기의 진동에 의해 가속도계에서 발생되는 전기적 신호를 증폭하기 위해 각각의 가속도계의 감도를 고려하여 증폭기와 테이프레코더의 범위(range)를 설정하였으며 손으로 전달되는 진동량을 측정하기 위해 가속도계를 어댑터에 설치하여 작업자가 작업시 접촉하는 부위인 관리기의 핸들에 흔들리거나 틈이 없게 밀착하였다. 또한 3축 방향의 설정은 ISO 5349T:2001(E)의 생체동역학 좌표계(Biodynamic coordinate system)를 이용하였으며 (Fig.2) 이를 근거로 관리기에 대한 축의 방향을 Fig. 3에 나타내었다. 관리기에서 발생하는 진동가속도의 데이터는 테이프 레코더에 저장되었다.

성능/효과

8시간 동안의 에너지 등가 주파수 가중 총 진동 값 04(%))과 진동장애 발생기간은 Table 2에 나타내었다. 3가지 작업의 진동노출 시간은 동일하게 2~4시간으로 비교하였기 때문에 진동가속도 값이 가장 큰 구굴 작업에서 진동노출 수준이 가장 높은 것으로 나타났다. 작업시간을 하루에 3시간이라고 가정해서 작업자 그룹의 10% 이상에게 백지현상(white finger syndrome)이 나타날 수 있는 기간은 로터리 작업의 경우 대략 6.
2%의 방진효과를 나타내었다. 결론적으로 말해서 손잡이 부분에 손잡이와 특성이 다른 재질을 입혀서 진동을 차단하는 장치는 고주파 성분을 제거할 수는 있지만 저주파 성분을 차단하는 데에는 큰 효과가 없다는 것을 알 수 있으며 핸들 방진장치, 엔진 마운트와 같이 진동 전달 경로에 특성이 다른 재질을 삽입하여 진동을 차단하는 방법은 전 구간의 주파수 영역에서 고르게 효과가 있음을 알 수 있다. 손으로 전달되는 진동의 경우, 고주파 성분보다는 저주파 성분의 영향을 더 많이 받기 때문에 저주파 성분을 제거할 수 있는 방진장치를 사용하는 것이 효과적이라 하겠다.
2%의 방진효과를 나타내었다. 또, 방진효과가 좋은 핸들 방진장치와 엔진 마운트를 결합하여 실험했을 때는 31.2%의 방진효과를 나타내었다. 결론적으로 말해서 손잡이 부분에 손잡이와 특성이 다른 재질을 입혀서 진동을 차단하는 장치는 고주파 성분을 제거할 수는 있지만 저주파 성분을 차단하는 데에는 큰 효과가 없다는 것을 알 수 있으며 핸들 방진장치, 엔진 마운트와 같이 진동 전달 경로에 특성이 다른 재질을 삽입하여 진동을 차단하는 방법은 전 구간의 주파수 영역에서 고르게 효과가 있음을 알 수 있다.
여기서, z=p (재질의 밀도)XC (진동전달 속도)를 나타내며 재질의 특성 임피던스라고 한다. 위에서 제시한 수식의 진동반사율과 진동투과율에서 알 수 있듯이 두매질의 임피던스의 차가 클수록 R - 1 , 0임을 알 수 있다.고무(rubber)와 쇠(iron)의 경우를 예로 들면, 고무(soft)의 특성 임피던스은 0.
3가지 작업의 진동노출 시간은 동일하게 2~4시간으로 비교하였기 때문에 진동가속도 값이 가장 큰 구굴 작업에서 진동노출 수준이 가장 높은 것으로 나타났다. 작업시간을 하루에 3시간이라고 가정해서 작업자 그룹의 10% 이상에게 백지현상(white finger syndrome)이 나타날 수 있는 기간은 로터리 작업의 경우 대략 6.2년 정도이고 제초 작업의 경우는 대략 6.8년 정도이며 구굴 작업의 경우는 대략 4년 정도일 것으로 예측되었다.
모든 그래프에서 y방향의 가속도 값이 가장 크고 다음으로 z방향이 크며 X방향의 가속도 값이 가장 작은 것을 알 수 있다. 중경로터리 작업과 중경제 초 작업은 엔진의 작업 조건이 3000rpm(50H₂)이므로 50Hz에서 가장 큰 가속도 값이 나타나며 구굴 작업은 엔진의 작업조건이 3780rpm(63Hz)이므로 63Hz에서 가장 큰 가속도 값이 나타남을 알 수 있다. Fig.

후속연구

실험 결과에 의하면 관리기 작업이 작업자의 인체에 해를 끼칠 위험이 매우 크지만 이 결과는 작업자가 매일 3시간씩 관리기를 사용할 경우를 기준으로 설정한 값이기 때문에 실제로 관리기 사용일수가 많지 않은 대부분의 우리나라 사용자들에게 적용하는 데는 한계가 있음을 밝힌다. 그렇다 하더라도 관리기의 주 사용자는 보행형 관리기뿐만 아니라 보행형 경운기나 보행형 이앙기 등의 손으로 전달되는 진동이 심한 기계를 함께 사용하는 경우가 많음을 고려하면, 방진장치를 개발하거나 진동수준이 낮은 농작업 기계를 개발하여 작업환경을 개선하는 조치가 필요하다고 생각한다.
따라서 기계조작으로 인한 진동을 감소시킴으로써 기계조작의 능률성과 생 산성을 향상시키고 쾌적성을 확보하려는 움직임이 인간공학, 산업공학, 환경공학을 비롯한 몇몇 학문의 영역에서 시도되고 있다. 특히, 많은 종류의 기계가 인간의 손에 의해 조작되고 있는 현실을 볼 때, 손을 통해 전달되는 진동의 특성에 대한 분석 및 평가가 필요하며, 더 나아가 손으로 전달되는 진동을 방지하기 위한 기술의 연구가 필요하다.

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