CC BY
31
К вопросу биомеханической оценки трудовой деятельности операторов в животноводстве
В.Д. Поздняков, д.т.н., профессор, А.П. Козловцев, к.т.н., В.А. Ротова, к.т.н., Д.Ю. Драницин, аспирант, Оренбургский ГАУ
Вопросам повышения работоспособности оператора в человеко-машинных системах, его функциональной надёжности и физической реабилитации посвящено достаточно большое число научных исследований, результаты которых опубликованы как в открытой печати, так и в изданиях для служебного пользования [1—4].
К сожалению, проблемы работоспособности операторов биотехнических и биотехнологических систем в животноводстве освещены слабо. Это относится к операторам машинного доения коров, стригалям овец, чесальщикам пуха коз и т.д. В первую очередь необходимо рассмотреть частный случай надёжности с позиции функциональной прочности биомеханических звеньев исполнителя, т.е. ограничения требований обеспечения сохранения жизни (комфорта и работоспособности, травмобезопасности).
Подробный биомеханический анализ труда операторов машинного доения [5, 6] показал, что наиболее длительные статические нагрузки испытывает часть его опорно-двигательного аппарата: позвоночник (шейные, грудные, поясничные отделы). Статодинамическим нагрузкам подвергаются нижние конечности (парная тазовая кость тазового пояса, тазобедренный сустав, бедренные кости, пары берцовых костей и кости стопы). Соотношение статических и динамических нагрузок в этом случае (в зависимости от типа доильной установки, организационнотехнологических условий, уровня профессио-
нальной подготовки и т.д.) составляет от 1:5 до 1:3 (20:80% и 25:75% соответственно). Верхние конечности операторов (плечевой пояс, кости плеча, предплечья и особенно кисти рук) практически в 85—90% случаев подвержены динамическим нагрузкам в сагиттальной, фронтальной и аксиальной анатомических плоскостях.
Вследствие тяжёлых условий труда операторов машинного доения коров даже в нормальных условиях возникают профессиональные заболевания кистей рук, костей плеча и предплечья (остеомиелит), позвоночника (в области шейных и поясничных отделов лордоз — изгиб вперед) и груди (кифоз — изгиб назад).
Если удлинение спинного мозга (при сгибании туловища вперед) или укорочение (при разгибании) практически происходит без сопротивления, то при резком полном сгибании позвоночника нагрузка на связки (соединения) позвонков возрастает в 15—20 раз, а при разгибании назад — увеличивается более чем вдвое.
Крутильные деформации межпозвоночных дисков даже в пределах 20° приводят к их разрушению, а некоторые операторы при обслуживании двух стоящих рядом коров стараются повернуться корпусом на 65—75° без поворота тазобедренной части.
Анализ стабильных травматических повреждений (сжатие, растяжение, сдвиг, вращение, изгиб позвоночника) у операторов машинного доения показал, что большая часть их приходится на поясничные, шейные и грудные отделы. Результаты исследований трудовой деятельности стригалей [6, 7] при механическом обезрунивании овец различными способами (закарпатским, ка-
захским, ставропольским, австралийским, оренбургским) показали, что наряду со статическими нагрузками опорно-двигательного аппарата возникают большие знакопеременные нагрузки на руку исполнителя и плечевое сочленение.
При выполнении отдельных приёмов, связанных с резким изменением положений объекта обслуживания, возникают большие нагрузки на поясничный отдел спины, что вызывает профессиональное заболевание (ломка спины) даже у хорошо подготовленных исполнителей. В последующем это неизлечимая болезнь всех стригалей. Болезни кистей рук проявляются вследствие знакопеременных вибраций корпуса машинок МСО-77Б, работающих от подвесных электродвигателей и гибких валов.
При стрижке на полах (закарпатский, казахский способы механического обезрунивания) стригаль 80—85% времени находится в весьма неудобной позе, сидя на корточках или опираясь на одно или оба колена.
В более комфортных условиях находится стригаль при стрижке на специальных стеллажах (ставропольский способ), когда объект обслуживания располагается в зоне достижения и видимости. Однако в этом случае статически нагруженными остаются парная тазовая кость тазового пояса, тазобедренный сустав, бедренные кости, берцовые кости голени и кости стопы.
Очень неблагоприятен момент качественного выполнения приёма опускания животного, когда необходимо захватить объект и опустить его на уровень рабочей площадки, т.е. из статического положения основных сегментов корпуса перейти в динамический режим.
Последние исследования процесса стрижки овец эдильбаевской породы подтвердили необходимость совершенствования стригальной машинки типа МСУ-200, особенно её режущих пар, потому что пухошёрстная структура руна не позволяет с усилием 20—30 кг внедриться в срезанный покров. Нагрузка на руку исполнителя возрастает в 4,5—6 раз, что граничит с его физическими возможностями, с одной стороны, а с другой — выводит из строя двигатели машинок и животное испытывает большие стрессы.
Не менее неблагоприятным для исполнителя является распространённый способ чёски пуха на стеллажах, когда объект обслуживания фиксируется за рога к стойке и одной из задних конечностей непосредственно к площадке [7—9].
Нами теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что в исследуемом процессе происходит постоянное изменение положений центра масс сегмента руки в основном в одной плоскости. В зависимости от очёсываемого участка плоскость меняет своё положение от продольно-вертикального (вычёсывание боков)
до горизонтального (вычёсывание спины). В этом случае необходимо учесть биомеханические возможности сегментов руки человека, такие, как изгиб кисти в вертикальной плоскости, который возможен вверх на 45°, вниз на 60°; поворот кисти в горизонтальной плоскости из стороны в сторону, допускаемый до 30°; отведение и приведение, которые возможны соответственно на 27° и 60°; допустимое сгибание в плечевом суставе от 126° до 150°; сгибание самого плеча от 164° до 191° и разгибание в сторону лишь на 40—71°; поворот в локтевом суставе, который возможен на 100° в каждую сторону [3, 6—9].
В процессе вычёсывания пуха активными звеньями руки человека являются три сегмента (шиловидный, плечелучевой, акромиальный), а при перемещениях более 400—450 мм в работу дополнительно включаются плечевая часть и верхний отдел туловища (лопаточный). При чёске коз на стеллажах и росте исполнителя более 175—180 см в работе также участвуют нижний позвоночный отдел спины, где находятся мышцы, выпрямляющие туловище, косые мышцы живота и поясничные позвонки. Энергию, затрачиваемую на их работу в этом случае, можно считать непроизводительной, так как они находятся под статической нагрузкой и участия в работе не принимают.
Воспроизводимые в суставах, как кинематических парах определённых классов (по аналогии теории машин и механизмов группы Ассура), чистое кручение (Spin) и вращение (Swiping), а также их комбинации (сгибание, разгибание, отведение) позволяют чесальщику выполнять широкий круг действий.
Применяя известную структурную формулу для пространственных механизмов следующего вида:
Б _ 6n - ^5_3 ikt = 6n - 5k5 - 4k4 - 3k3 - 2P2 - P1,
где Б—подвижность механизмов (число степеней свободы);
n — число подвижных звеньев (костей); kt — число подвижных соединений (суставов), т.е. кинематических пар определённого класса;
i = 3, 4, 5 — класс (порядок) соединения (кинематические пары первого и второго порядка отсутствуют), можно получить биомеханическую характеристику числа степеней свободы для всего человека и непосредственно руки исполнителя.
Число подвижных звеньев у человека (n) 148, суставов третьего класса с тремя степенями свободы (k3) 29, четвёртого класса (k4) 33, суставов пятого класса с одной степенью свободы (k5) 85. Подставив эти значения в формулу, получим:
Л^_ 6 -148 - 29 • 3 - 33 • 4 - 85 • 5 _ 244.
Аналогично можно вычислить степень свободы руки
АР = 6 • 22 - 5-15 - 4 • 6 - 3-1 = 30,
где п = 22, к5 = 15, к4 = 6, к3 = 1.
Таким образом, рука человека имеет 30 степеней свободы.
Применительно к рассматриваемому случаю, когда гребень жёстко соединён с кистью и им шунтируются 17 звеньев руки, число степеней свободы составит:
БС = 6 • 5-5 1-4 • 3-3 1 = 10.
Можно считать, что даже при условно жёстком соединении 144 звеньев пространственного механизма человека, в том числе 17 звеньев руки, он с таким числом степеней свободы способен качественно выполнить большинство предписываемых технологией чёски пуха операций.
Однако исходя из физических возможностей большинства исполнителей они не могут выполнять этот процесс в течение даже 1,5—2 часов непрерывной работы.
Учитывая то, что в процессе чёски пуха коз кроме руки активно участвуют и другие функциональные сегменты туловища, встаёт вопрос о разгружении напряжённых участков и перераспределении части нагрузки на эти элементы. Как показывают практика и результаты наших исследований, это в основном определяется индивидуальными показателями исполнителя и специальной тренировкой с использованием инструментальных методов контроля физического, функционального и психологического состояний исполнителя [10].
Отсутствие материала по вопросам совершенствования конструкций самих рабочих органов гребней, конфигурации и геометрии элементов, непосредственно связанных с рукой исполнителя, неизученность биомеханики процесса чёски пуха коз на системном уровне, а также низкий профессиональный уровень чесальщиков и отсутствие специальных средств для их подготовки — всё это свидетельствует о том, что данная проблема является ключевой в современном козоводстве.
Достоверность вышеизложенного подтверждается результатами видеохронометража в одном из лучших козоводческих хозяйств Оренбуржья — ООО «Донское» Беляевского района.
Практический выход проведённых исследований нашёл отражение в разработке специального стула для операторов, обслуживающих дойное стадо при привязном содержании, корсета-массажёра на крестцово-поясничный
отдел стригалей овец, в элементах экипировки стригалей овец и чесальщиков пуха у коз, эргономической компоновке оптимального рабочего места точильщика режущих пар.
В настоящее время на кафедре проводится широкий круг исследований по биомеханике трудовой деятельности точильщиков режущих пар, ветспециалистов по оказанию родовспоможения при осложнённых, патологических отёлах и послеродового акушерского обслуживания коров, техников-осеменаторов при различных способах искусственного осеменения коров, свиней, овец.
Результатами этих исследований должны быть:
1. Разработанные математические модели, программы, внедрение которых позволит индивидуально изыскать каждому специалисту дополнительные нереализованные возможности в своей деятельности.
2. Комплекс специальных технических средств для формирования прочных сенсорно-моторных навыков, доведённых до автоматизма: муляжи, стенды, тренажёры.
3. Методические рекомендации по созданию эргономически обоснованных комфортных условий рабочих мест операторов биотехнических и биотехнологических систем в животноводстве.
4. Методика подготовки специалистов вышеперечисленных профессий с использованием отечественного и зарубежного опыта обучения по дуальной схеме: учебные аудитории, конкретные производственные участки на животноводческих предприятиях.
Литература
1. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.
2. Давыдов Э.Г. Исследование операций. М.: Высшая школа,
1990.
3. Зациорский В.М. и др. Биомеханика двигательного аппарата. М.: Спорт, 1981. 143 с.
4. Накано Э. Введение в робототехнику / Пер. с япон. Под ред. A.M. Филатова. М.: Мир, 1988. 336 с.
5. Козловцев А.П. Повышение стрессоустойчивости коров при машинном доении // Роль молодых учёных в реализации национального проекта «Развитие АПК». Саратов, 2007. С. 108-110.
6. Поздняков В.Д. Повышение надёжности и эффективности функционирования операторов механизированных процессов животноводства: дисс. ... докт. техн. наук. Оренбург, 2006. 350 с.
7. Поздняков В.Д., Хегай А.В., Гудин А.А. Биомеханическая оценка процесса чёски пуха коз как подсистемы «рука — гребень — объект» // Роль молодых учёных в реализации национального проекта «Развитие АПК». Саратов, 2007. С. 164—166.
8. Ротова В.А. Совершенствование технологии и технического средства для механизированного вычёсывания пуха коз: дисс. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2009. 416 с.
9. Поздняков В.Д., Ротова В.А. Совершенствование технологии и технических средств для вычёсывания пуха // Труды ГНУ ВНИИМЖ РСХА. Т. 21. Ч. 2. С. 161 — 164. Подольск, 2010.
10. Поздняков В.Д., Гудин А.А. Обоснование и разработка стенда-тренажёра для исследования трудовой деятельности стригалей овец // Труды ГНУ ВНИИМЖ РСХА. Т. 21. Ч. 2. С. 157—161. Подольск, 2010.
