Exposure to whole-body vibration and effectiveness of chair damping in high-power agricultural tractors having different damping systems in practice Blootstelling aan trillingen en effectiviteit van stoeldemping bij hoog-vermogen agrarische tractoren met verschillende dempingsystemen in praktijksituaties   Huub H.E. Oude Vrielink (click on the figure to download the entire report (46 pp.; 2.4 Mb)

Summary (Samenvatting: zie onder)

European legislation defines maximum values, i.e. action and limit values, for exposure to whole-body vibration (WBV) for employees on a working day. The use of tractors is a main source of exposure to WBV in agriculture. Since long, it is known that high driving speed and unevenness of the surface contribute importantly to a too high exposure, as seen e.g. in contract work. It might be that improvements in damping of the cabin and/or axles in modern tractors have relieved the problem. The present testing was performed to underpin this improvement, if any, with objective data, and to investigate whether the use of these tractors in practice falls within the safety limits of the EU.

The research involved 7 heavy tractors (>130 kW) of different makes, all of them equipped with damped cabin and / or axles. The vibration damping configuration of all of them, including driver seat, was the standard configuration, according to the manufacturer. One conventional tractor without damping of axles or cabin was tested for comparison. In addition, a tractor was tested in which either an active seat or a conventional pneumatically damped chair was mounted. Each tractor was driven by two drivers, with and without loaded trailer and at two different speeds: 15 km/h constant, and 20-30 km/h variable. The test track was a square of 1.4 km, consisting of concrete plates with damaged surface. Each round was completed two times. Vibration evaluation was performed according to ISO (2631-1, 1997, 2631-5, 2004) on the seat. In addition, vibrations of the tractor cabin at the chair base were measured to determine the effectiveness of damping of the chair implemented (SEAT_rms-value). Driving comfort was evaluated using a 10-point ratio scale. Vibrations for both measurement sites were measured along 3 standard axes: X (longitudinal; a_wx), Y (lateral; a_wy), and Z (vertical; a_wz). During the tests, vibration results were displayed on-line digitally on a laptop computer and were stored. Processing of the data and calculation of definitive outcomes were performed off-line for each round, consisting of four straight tracks and three bends. For the interpretation of the vibration values measured into daily exposure values, it was assumed that the driving is performed during a full working day of 8 hours.

Variation in WBV between drivers and repetitions was small, so data for these were pooled. The X-axis appeared to be dominant, limiting the working time given the values specified by the EU. Only during low speed empty driving, the median exposure value over all tractors remained in the safe area (0.50 m/s²). Trailer pulling and faster driving, independently, resulted in a strongly increased exposure to longitudinal vibration (reaching a median value over tractors of 1.39 m/s² during high speed trailer pulling). For the transverse and vertical axes, trailer pulling resulted in a small decrease of the vibration exposure, whereas the latter increased again as driving velocity was elevated.

The difference in exposure between the various tractors appeared considerable. Only one tractor was able to sufficiently damp for repetitive shocks. In general and mainly in the vertical direction, damping of cabin and / or axles resulted in a substantially lower vibration exposure during all experimental situations. The reduction depends strongly on the tractor make, reaching Z-axis exposure values of 0.51 – 0.57 m/s² for the best-performing tractors, for combined empty and trailer pulling in the high speed situation. Subjective comfort rating identified the undamped tractor, aswell as the tractor damping the best both vibrations and shocks.

If the present testing, i.e. high and low speed driving loaded and empty, is considered to be representative for transport with a tractor, the exposure to whole-body vibrations is too high for a normal working day of eight hours. For the tractors performing the best, one may drive for approximately 4 hours before additional measures to reduce exposure are to be taken. In an attempt to improve vibration damping, attention should be payed to the effectivity of the chair. Seats appear to be effective in damping vertical vibration. In this respect, the active seat demonstrated an excellent performance. However, for most of the tractors, the longitudinal vibration is enhanced in stead of reduced by the chair mounted, expressed in a SEAT_rms value of more than 100%.

Samenvatting

Europese en Nederlandse wetgeving definiëren maxima, dat wil zeggen actiewaarde en grenswaarde, voor de blootstelling aan lichaamstrillingen waaraan werknemers op een willekeurige werkdag mogen worden blootgesteld. Het gebruik van landbouwtrekkers wordt als een belangrijke oorzaak gezien van blootstelling aan lichaamstrillingen. Al langer is bekend dat hoge rijsnelheid en ongelijke ondergrond belangrijk bijdragen aan een verhoogde blootstelling. Deze factoren spelen bijvoorbeeld in het loonwerk. Het kan zijn dat in moderne trekkers de verbetering in demping van cabine of assen het blootstellingprobleem aanmerkelijk heeft verminderd. Het huidige onderzoek wil deze eventuele verbetering onderbouwen met harde en objectieve data. Bovendien was het doel te bepalen of het normaal gebruik van deze trekkers in de praktijk binnen de door de EU gestelde grenzen valt voor een werkdag.

Het onderzoek is uitgevoerd met 7 zware trekkers (>130 kW) van verschillende fabrikanten, alle voorzien van een geveerde cabine en / of van de wielassen. De testconfiguratie, met inbegrip van de stoel, van iedere trekker was steeds de standaardconfiguratie volgens de fabrikant. Eén conventionele trekker, zonder demping van cabine of assen, werd ter vergelijking in de test meegenomen. Bovendien is een trekker met ongeveerde cabine getest waarin een “active seat” of een normale luchtgeveerde stoel was gemonteerd. Elke trekker werd bestuurd door twee chauffeurs, en er werd getest met en zonder beladen kipper bij twee rijsnelheden: 15 km/u constant en 20-30 km/u variabel. Het testparcours was rechthoekig, ongeveer 1.4 km lang, en bestond uit betonnen platen die door weer en gebruik op vele plaatsen beschadigd waren. Het geheel was te vergelijken met een slechte B-weg. Elke ronde werd twee keer afgelegd. De trillingen zijn volgens voorschrift (ISO-2631-1, 1997 en ISO-2631-5, 2004) gemeten op de stoelzitting. Bovendien zijn trillingen van de cabine aan de stoelbasis gemeten om de effectiviteit van demping van de stoel (SEAT_rms) te bepalen. Rijcomfort werd gemeten met behulp van een 10-punt ratioschaal. Alle trillingen zijn per meetpunt bepaald in 3 richtingen X (voor-achter; a_wx), Y (zijwaarts; a_wy), en Z (verticaal; a_wz). De data zijn tijdens de metingen online digitaal weergegeven en opgeslagen. Verwerking gebeurde offline zodat gegevens per ronde, i.e. vier rechte paden en drie bochten, werden verkregen. Voor een interpretatie van de meetdata naar dagblootstellingen is ervan uit gegaan dat de combinatie van de testen normaal gesproken gedurende een volledige werkdag van 8 uren zou plaatsvinden.

De spreiding in de uitkomsten tussen de chauffeurs en tussen de herhalingen bleek klein, zodat de data daarvan bij elkaar gevoegd zijn. De X-as bleek de dominante trillingsas. Deze trillingen bleken de werktijd, gegeven de limieten van de EU, te beperken. Alleen tijdens onbeladen rijden op lage snelheid bleef de mediane trillingwaarde over alle tractoren in het acceptabele gebied: 0.50 m/s². Zowel het trekken van een beladen kipper als het verhogen van de rijsnelheid had, onafhankelijk van elkaar, een sterk verhoogde blootstelling tot gevolg (waarbij voor de combinatie van hoge rijsnelheid en getrokken kipper een mediane waarde over alle trekkers van 1.39 m/s² werd bereikt). Voor zijwaartse en verticale trillingen resulteerde het trekken van een kipper in een bescheiden vermindering van de trillingblootstelling. Snelheidsverhoging, echter, had in alle gevallen een verhoogde blootstelling tot gevolg.

Het verschil in blootstelling tussen de verschillende trekkers bleek aanzienlijk. Slechts één trekker bleek de schokken voldoende te kunnen dempen. In het algemeen, en hoofdzakelijk in de verticale richting, bleek demping van assen en / of cabine samen te gaan met een aanzienlijk lagere trillingblootstelling tijdens alle experimentele situaties. De vermindering hing sterk af van het trekkermerk. Voor de best presterende trekkers was de blootstellingwaarde in de Z-richting, mediaan over het rijden met en zonder kipper en bij hoge snelheid alleen, 0.51 – 0.57 m/s². Subjectief ervaren comfort bleek het laagst in de ongeveerde trekker en het hoogst voor de trekker die zowel de trillingen als schokken het beste dempte.

Als de huidige test, d.w.z. lage en hoge snelheid rijden met en zonder beladen kipper, representatief beschouwd wordt voor transportwerkzaamheden met een trekker, dan is de blootstelling aan lichaamstrillingen te hoog voor een normale 8-urige werkdag. Met de best gedempte trekkers kan ongeveer 4 uur gereden worden. Daarna zijn additionele maatregelen nodig om de blootstelling te beperken.

About ErgoLab Research B.V.                           ‘Knowledge works better’

ErgoLab Research was established in 2006 out of Wageningen University & Research Centre (Wageningen UR). ErgoLab Research aims to transfer specialist knowledge and skills in the area of work and health to working people, government, educational institutions and society in a understandable way, by testing, training, research and coaching. Know-how and skills have been developed in more than 20 years of experience in fundamental and applied research. The area is broad and covers labour and labour conditions, engineering and technology, physiology, health behaviour, and physical load, sports and health.

In the area of human vibration evaluation and technology, ErgoLab Research has conducted earlier investigations. Their reports can be downloaded from this website e.g.:

·        Analysis of the exposure to whole-body and hand-arm vibrations using agricultural tractors (2007)

·        Analysis of the exposure to whole-body and hand-arm vibrations during work in the green area (2007)

·        Analysis of the exposure to hand-arm vibrations using petrol-engine chainsaws (2007)

·        Antivibration gloves (2008)

Source: www.ergolabresearch.eu.