Исследование системы защиты человека-оператора от вибрации на базе нелинейных упругих элементов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

SCIENCE TIME

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ОТ ВИБРАЦИИ НА БАЗЕ НЕЛИНЕЙНЫХ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Кочетов Олег Савельевич, Московский государственный университет приборостроения и информатики

E-mail: o_kochetov@mail.ru

Аннотация. Систематическое воздействие вибрации на организм оператора приводит к развитию вибрационной болезни, приводящей к снижению производительности труда, а при длительном воздействии - к возникновению профессиональных заболеваний. Разработка математической модели для подбора средств виброзащиты оператора является актуальной задачей. ]

Ключевые слова: математическая модель, организм оператора,

профессиональные заболевания, вибрационная болезнь, производительность труда, средства защиты оператора от вибрации.

В целях своевременного выявления зон риска конфликтов и проблем, влияющих на безопасность работы, своевременного их упреждения и урегулирования необходим мониторинг социально-психологических факторов жизнедеятельности. Проведение мониторинга необходимо для получения информации о тех проблемах, которые могут значительно повлиять на мотивацию, работоспособность и психоэмоциональное состояние работников

[4].

Важнейшую роль в актуализации проблемы риска сыграли процессы стремительного научно-технического развития, которое чрезвычайно расширило человеческие возможности, но вместе с тем повлекло за собой целый ряд негативных последствий, которые создают угрозу природе и самому человеческому существованию. Риск внедрения технологических инноваций связан с моральными, социальными и демографическими последствиями.

Главная цель деятельности любого коммерческого предприятия - получение прибыли и минимизация издержек. Собственники, руководители организаций и частные предприниматели стремятся к тому, чтобы каждый рубль, вложенный в производство продукции, приносил определенную прибыль. Логично, что максимизация прибыли провоцирует сокращение затрат. В современном

137

а

понимании «охраны труда» для работодателя очевидны лишь расходы на мероприятия по охране труда, и это заставляет их рассматривать средства, предназначенные для улучшения условий труда, как дополнительные издержки, а не как эффективные вложения, повышающие результативность производства и приносящие прибыль.

Задача современного руководителя состоит в том, чтобы научиться предвидеть и рассчитывать возможный ущерб от возможной аварии на производстве, несчастного случая или профессионального заболевания - только тогда ущерб может стать предотвращенным, то есть так могло быть, но так не стало из-за реализации мероприятий по его предотвращению.

В мировой практике известно, что самые большие финансовые расходы предприятие несет из-за несчастных случаев на производстве, при этом затраты компании разделяются на прямые и косвенные, схема которых представлена на рис.1 1:

ПРЯМЫЕ ЗАТРАТЫ 9

Зарплата за период нетрудоспособности Стоимость медицинского обслуживания

КОСВЕННЫЕ ЗАТРАТЫ

Рабочее время других сотрудников Рабочее время управленческого персонала Ущерб имуществу Возмещение невыходов на работу Снижение производительности Расследование несчастного случая

Рис. 1 Схема затрат компании

Прямые затраты по несчастному случаю включают в себя заработную плату за период отсутствия пострадавшего на работе, стоимость его медицинского обслуживания, медикаментов и другие затраты, непосредственно вызванные несчастным случаем. К косвенным затратам относятся, например, потеря рабочего времени других - кроме пострадавшего - лиц, ущерб, нанесенный

имуществу и продукции организации, потерянный престиж компании, оплата труда юристов, штрафы и т. д. [5].

В настоящее время известна методика оценки эффективности мероприятий по улучшению условий труда за счет снижения утомляемости по эргономическим показателям с помощью формулы прироста производительности труда в системе "человек-машина-производственная среда".

Среди факторов окружающей среды на производстве, оказывающих вредное влияние на здоровье работающих, одним из ведущих является акустический шум. В связи с этим большое значение имеет его правильная оценка при аттестации рабочих мест по условиям труда. Следствием продолжительного воздействия повышенных уровней производственного шума является развитие хронического профессионального заболевания - шумовой болезни, при этом среди других хронических профзаболеваний шумовая болезнь в последние годы занимает одно из основных мест, например динамика количества случаев кохлеарного неврита профессионального происхождения в Москве: в 2003 году отмечено 118 случаев кохлеарного неврита (51,3% общего количества ^ профзаболеваний), в 2002-м — 104 (47,3%), в 2001-м — 47 (27,6%), в 2000-м — 35 (19,3%).

В последние годы прослеживается тенденция к увеличению количества промышленных объектов с источниками интенсивного шума на рабочих местах, что частично отражено в диаграмме 2, при этом частота случаев несоблюдения гигиенических нормативов по физическим факторам на промышленных объектах, обследованных учреждениями Роспотребнадзора, по стране в целом: шум занимает второе место по проценту несоответствия гигиеническим нормативам [6].

Наиболее выраженное неблагоприятное воздействие акустического фактора наблюдается в таких отраслях промышленности, как тяжелое машиностроение, нефтеперерабатывающая, химическая и нефтехимическая промышленность, черная металлургия и тракторная промышленность, деревообработка, промышленность строительных материалов и строительство, полиграфия и сельское хозяйство, а также на транспорте. Главными причинами превышения уровня шума на рабочих местах над допустимыми является несовершенство технологических процессов, конструктивные недостатки технологического оборудования и инструментов, а также их физический износ и невыполнение планово-предупредительных ремонтов.

Воздействию повышенных уровней шума и вибрации на производстве подвергается значительное количество работающих:

- в Калининградской области — 20 358 человек (до 46% в структуре всех работающих во вредных и опасных условиях труда);

- в Костромской области — 11 800 человек;

- в Ивановской области — 18 110 человек (до 10% всех работающих).

В Хабаровском крае по итогам аттестации рабочих мест по условиям труда, проведенной на 76 предприятиях в 2006 году (по данным управления условий и охраны труда министерства социальной защиты населения Хабаровского края), удельный вес рабочих мест с превышением гигиенических нормативов по уровню шума составил 65%. В Ленинградской области, несмотря на принимаемые меры по снижению шума, санитарно-эпидемиологическая обстановка на многих промышленных предприятиях остается неудовлетворительной. Так, например, в ООО «ОМЗ-Спецсталь» (г. Колпино) на рабочих местах имеет место превышение допустимых уровней шума на 22 дБА, а уровней вибрации - на 6 ^ 11 дБА. С целью снижения неблагоприятного воздействия шума и вибрации на промышленных предприятиях проводится замена шумящего оборудования на менее шумное (ООО «Стекс»), профилактические планово-предупредительные ремонты оборудования и транспортных средств, обеспечение средствами индивидуальной защиты органов слуха (ОАО «Выборгский судостроительный завод», ОАО «БФ 0 “Коммунар”», ООО «Ивполиграфмаш», ООО «Полипласт-Северо-Запад», КД ЗАО СЗММ, ОАО «Узор» и др.). Принимаемые меры наполовину уменьшили удельный вес неблагополучных рабочих мест на предприятии.

с источниками интенсивного шума Ленинградской области

140

Автором проведены исследования в ряде отраслей текстильной промышленности и разработаны конструктивные решения по снижению шума. На рис.З схематически представлена математическая модель.

Одной из актуальных задач исследователей на современном этапе является создание эффективных технических средств виброзащиты производственного персонала от их воздействия [1]. Разработка математической модели с учетом биомеханических свойств тела человека-оператора является основным этапом для подбора оптимальных средств виброзащиты оператора.

Одним из достаточно эффективных и вместе с тем простых в смысле технической реализации средств виброзащиты являются виброзащитные сиденья для человека-оператора [1,2], которые находят широкое применение в различных областях промышленности. Актуальной задачей в этой области является проблема создания виброзащитных сидений с низкой частотой собственных колебаний системы "подвеска-оператор", которая бы лежала в диапазоне частот 2...5 Гц, т.е. была ниже частот вибровозбуждения основного класса технологических машин и оборудования. Кроме того, виброзащитная подвеска сиденья должна обладать равночастотными свойствами, т.е. обладать 0 эффективностью, которая бы незначительно менялась от нагрузки, при ее | изменении до 50% (вес операторов изменяется от 60 ...120 кг).

Рис.З Математическая модель виброизолирующего сиденья человека-оператора с учетом его биомеханических характеристик

Рассмотрим расчетную схему виброизолированной подвески сиденья с учетом биомеханических характеристик тела человека-оператора (рис.1), представляющую собой двухмассовую упруго-инерционную систему с демпфированием. Обозначим: m1 — масса оператора; с1 — жесткость оператора;

141

а

J о

Щ SCIENCE TIME 1

bi — его относительное демпфирование: bi -

К

(здесь h1 и h2 -

1 2 yj c1m1

абсолютное демпфирование); m2 — масса подвижных частей подвески сиденья; с2 — ее жесткость и b2 - демпфирование.

Динамический гаситель колебаний, включающий все параметры колебательной системы mb сь bb с наибольшей достоверностью имитирует поведение тела человека-оператора в реальных условиях, то есть является инерционным упругим элементом с демпфированием.

В рамках выбранной модели динамика рассматриваемой системы виброизоляции описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

ms

1s 2 Z1 + bi s(z 1 - Z 2) + ci (z 1 - Z 2 ) = o,

Z 2 + bvs(z 2 - Z1 )+ c1 (z 2 - Z1 )+ b2 S{Z 2 ~ U )+ C2 (Z 2 _ U)= 0

(1)

О

Для анализа виброизолирующих свойств системы введем в рассмотрение ее передаточную функцию T(s) по каналу "виброскорость основания -виброскорость сиденья", где s = jw комплексная частота, j - мнимая единица, w -круговая частота колебаний. Передаточную функцию T(s) нетрудно найти из (1) посредством метода преобразования Лапласа:

о

T( s) = -2 =

{m1s2 + b1 s + cj {b2 s + c2)

U (m1s2 + b1 s + c1){m2 s2 + b1 s + c1 + b2 s + c2)- (b1s + c1)2

(2)

В качестве упругого элемента рассмотрим конический равночастотный элемент с сетчатым демпфером [3,7], представленный на рис.4.

о

142

1 о

Щ SCIENCE TIME 1

о

о

Рис. 4 Конический равночастотный элемент с сетчатым демпфером: а) фронтальный разрез, б) вид сверху

Конический равночастотный элемент с сетчатым демпфером содержит, по крайней мере два упругих, расположенных осесимметрично и в параллельных плоскостях кольца, внешнего 1 и внутреннего 2, жестко соединенных между собой посредством, по крайней мере, двух симметричных упругих, диаметрально расположенных, элементов 3 и 4 со сквозным центральным пазом 5 и 6, симметрично расположенным внутри элемента. Поверхности, образующие элемент выполнены коническими. Боковые поверхности паза сопряжены по концам с поверхностями, образованными сквозными отверстиями 7,8,9,10, соответственно расположенными на внешнем 1 и внутреннем 2 кольцах. Элементы 3 и 4, соединяющие внешние и внутренние кольца, могут быть закреплены на них также посредством сварки, например контактной, или крепежными резьбовыми элементами, или как клеевое соединение. Внутреннее кольцо 2 имеет отверстие 11 для крепления его к виброизолируемому объекту.

Полости, образованные, расположенными осесимметрично и в параллельных плоскостях кольцами, внешнего 1 и внутреннего 2, жестко

о

143

соединенными между собой посредством, симметричных упругих,

диаметрально расположенных, элементов 3 и 4 со сквозным центральным пазом 5 и 6, симметрично расположенным внутри элемента заполнены упругодемпфирующим сетчатым элементом 12, выполненным армированным из сетчатого каркаса, залитого эластомером, например полиуретаном.

о

о

Рис. 5 Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем сиденье» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; w1 (var 20...40 c-1 ); b1 = 0,2;

Р2 = 50 кГс; w2 = 37,68 c-1 ; b2 =0,05

При колебаниях виброизолируемого объекта, установленного через отверстие 5 на внутреннее кольцо 2, обеспечивается пространственная виброзащита и защита от ударов, а упруго-демпфирующим сетчатым элементом 12 обеспечивается в системе демпфирование.

Применяя метод преобразования Лапласа, из (1) и (2) имеем

T( s) = (

a 0 s'

+ ars

+ a 2 s + a 3

) / (* 0

+ k 1 s 3

+ *2 s

+ *3 s + k^

),

(3)

144

a

1 0

Щ SCIENCE TIME 1

где:

а о = тА;

а1 = bA + mi ^2;

а 2 = b2 С1 ^ b 1С2 ;

а 3 = С 1C2 ;

II о m1 m2;

к1 = b 1m2 + m 1 b 1 + mb2;

II c1 m2 + m1c1 + bA + mc2;

к 3 _ c1 b2 ^ b 1C2 ; к 4 = c1c2.

Рис. 5 Динамические характеристики системы «оператор на виброизолирующем сиденье» при следующих параметрах: Р1 = 80 кГс; wi = 25,4 c-1 ; bi = 0,6;

Р2 = 50 кГс; w2 = 62,8 c-1 ; b2 (var 0...1)

Для теоретического исследования динамических характеристик этой схемы была составлена программа расчета на ПЭВМ (язык программирования «СИ++»). Анализируя результаты, полученные при проведении машинного эксперимента на ПЭВМ по исследованию динамических характеристик системы «оператор на виброизолирующем сиденье», можно сделать следующие выводы [8]. С уменьшением w1 уменьшается величина первого резонансного пика динамической характеристики со смещением влево по частотной оси, а величина второго резонансного пика динамической характеристики увеличивается также смещаясь влево. При этом величина амплитудного провала, обусловленного

поведением тела человека-оператора как динамического гасителя, уменьшается со смещением его максимума влево по частотной оси (см. рис. 3).

Изменение демпфирования в схеме, моделирующей тело оператора, т.е. bi в диапазоне от 0 до 1,0 слабо сказывается на изменении в динамической характеристике системы (за исключением случая, когда b1 =0, при этом появляется второй резонансный пик). Изменение демпфирования в схеме, моделирующей подвеску сиденья, т.е. b2 от 0 до 1,0 (см. рис. 4) существенно влияет как на частоту, так и на величину первого резонансного пика. При парциальной частоте подвески сиденья w2 = 12,56 c-1 (реализуется с помощью пружинных и тарельчатых виброизоляторов) динамическая характеристика системы имеет практически один ярко выраженный резонансный пик, совпадающий с частотой подвеса w2, при этом изменения параметров системы Р1; b1; b2 практически не оказывают влияния на виброизолирующие свойства подвески, которые начинаются с 15 c-1.

На ПЭВМ по предложенной модели был проведен анализ динамических характеристик и найдены рациональные технические параметры подвески сиденья для операторов основовязальных машин с учетом регламентируемых санитарно-гигиенических требований. В расчетах задавались следующие параметры:

- человека-оператора - т1=80кг, b1=52700 Н/м, c1=1070 Нс/м.

- подвески сиденья - т2=50кг, b2=90000 Н/м, c2=5000 Нс/м.

Выводы.

1. Результаты расчета разработанной подвески сиденья на базе упругих элементов подтвердили правильность выбора математической модели для расчета на ПЭВМ с учетом биодинамических характеристик тела человека-оператора, которое ведет себя в этой системе как динамический гаситель колебаний с частотой порядка 4 Гц.

2. Разработанная конструкция виброизолирующей подвески сиденья с собственной частотой подвеса 12,56 рад/с и относительным демпфированием, равным 0,5, может применяться на рабочих местах оборудования с повышенным уровнем вибрации в низкочастотной области.

Литература:

1. Сажин Б.С., Кочетов О.С. Снижение шума и вибраций в производстве: Теория, расчет, технические решения.- М., 2001.-319с.

2. Кочетов О.С. Способы оценки комфортности рабочей зоны. Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 4, 2012, стр.27-30.

3. Кочетов О.С., Гетия И.Г., Гетия С.И., Шумилин В.К., Кривенцов С.М, Баранов Е.Ф. Конический равночастотный элемент с сетчатым демпфером // Патент РФ

146

на изобретение № 2412385. Опубликовано 20.02.2011. Бюллетень изобретений № 5.

4. Кочетов О.С., Гетия С.И. Оценка улучшения условий труда по эргономическим показателям. Журнал «Человек и труд», № 12, 2009, стр.59-61.

5. Кочетов О.С., Гетия С.И. Профессиональные риски с позиции социологии. Журнал «Человек и труд», № 9, 2010, стр.56-59.

6. Кочетов О.С., Гетия С.И. Аспекты социологии управления в решениях проблем снижения профессиональных рисков. Журнал «Человек и труд», № 10, 2011, стр.57-62.

7. Патент РФ № 2412383. Тарельчатый упругий элемент с сетчатым демпфером / Кочетов О.С., Гетия И.Г., Гетия С.И., Леонтьева И.Н., Кривенцов С.М.,Шумилин В.К.,Скребенкова Л.Н. Б.И. №5 от 20.02.2011 г.

8. Кочетов О. С. Динамические характеристики виброзащитной системы человека -оператора. Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" (http:// ipb.mos.ru/ttb). Выпуск № 4 (50), 2013 г.

о

о

147

а