CC BY
2
УДК 628.8 + 06
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-111-112
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В КАБИНАХ ПУТЕВЫХ МАШИН
И.А. Баланов, Ю.И. Булыгин, Д.В. Ашихмин, А.С. Гуменюк, Т.А. Финоченко
В работе представлено статистическое описание параметров микроклимата в кабинах путевых машин, основанное на данных измерений при проведении СОУТ на рабочих местах 19 автомотрис в условиях отсутствующих или неработающих систем кондиционирования. Связь между температурой внутри кабины и снаружи при неработающей охлаждающей системе определена как незначительная (коэффициент корреляции не превышает 0.5). Полученный результат подтверждает, что кабина автомотрисы является практически замкнутой термодинамической системой, а основные источники тепла - оборудование и персонал, находящиеся в ней. Авторами введено понятие градиента ТНС-индекса как разновидности интегрального показателя, характеризующего микроклимат кабины. Экспериментальные данные показывают, что градиенты температур редко превышают санитарную норму в 3°C, при этом в кабинах с классом условий труда (КУТ) 4 значение данного параметра в значительной степени зависит от выбора точек измерения, а для КУТ 3.4 такой тесной связи не наблюдается. Перспективным направлением дальнейших исследований является математическое моделирование распределений температуры и ТНС-индекса в кабине для различных высот и КУТ с целью прогнозирования этих показателей при учёте условий окружающей среды.
Ключевые слова: статистический анализ, путевая машина, микроклимат кабины, ТНС-индекс, корреляция, параметры распределений величин.
Введение. В последнее время в России наблюдается тенденция роста доли профессиональных заболеваний, выкваннык воздействием физических факторов, в том числе параметров производственного микроклимата.
Наиболее остро проблема неблагоприятного воздействия производственного микроклимата стоит применительно к машинистам путевых машин. Как известно, температура на рабочем месте в значительной степени определяет надёжность работы операторов, в том числе и машиниста путевой машины. При повышении температуры воздуха в кабине от 25 °С до 45 °С увеличивается возможность аварийной ситуации до 150 %. Это прежде всего связано с тем, что работа в некомфортных условиях сильно влияет на внимание и самочувствие машинистов, что приводит к снижению производительности труда на 40% [1, 2].
Именно поэтому улучшение условий труда машинистов автомотрис, мотовозов и операторов железнодорожных кранов в условиях нагревающего микроклимата является актуальным.
Таким образом, нормализация параметров микроклимата на рабочем месте машиниста путевой машины напрямую связана с обеспечением транспортной безопасности.
В частности, критически важным является вопрос поддержания оптимальных условий микроклимата (температуры воздуха и стен помещения кабины, скорости движения воздуха, относительной влажности, а также индекс тепловой нагрузки среды - ТНС-индекс). Проблема усугубляется еще и тем, что оператор и монтеры путевой машины (максимум 7 человек по вместимости кабины) находятся в замкнутом небольшом объеме кабины под интенсивным облучением летом, где источником теплового излучения выступает солнце [3]. При воздействии солнечной радиации имеет место высокая температура ограждений кабины [4, 5].
Для обеспечения требуемого комфорта необходимо применение систем кондиционирования воздуха в кабинах путевых машин в теплый период года [6,7].
Объект исследования. В качестве объекта исследования нами рассмотрены автомотрисы грузовые дизельные марки АГД-1А, эксплуатируемые на различных железнодорожных предприятиях в течении июля-августа 2022 года.
АГД-1А - российская грузовая дизельная автомотриса, вытускаемая ОАО «Муромтепловоз», предназначенная для механизации работ по строительству, реконструкции, ремонту и обслуживанию железнодорожного пути при помощи комплекта навесных рабочих органов (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид автомотрисы грузовой дизельной АГД-1А
Измерения показателей микроклимата на рабочих местах машиниста в кабинах автомотрис проведены в рамках специальной оценки условий труда (СОУТ) и производственного контроля силами НПЦ "Охрана труда" ОНИИЦ НИЧ РГУПС (г. Ростов-на-Дону).
Обследованы 19 автомотрис АГД-1А на различных предприятиях ОАО «РЖД». Системы кондиционирования в кабинах либо отсутствовали, либо не работали.
При выполнении измерений использованы поверенные средства измерения: измеритель параметров микроклимата «Метеоскоп-М», а также рулетка измерительная ЭНКОР «Каучук».
Измерения проведены в соответствии со стандартизированными методами проведения измерений и анализа: МУК 4.3.2756-10; СанПиН 2.2.4.548-96; ГОСТ 30494-2011; руководство по эксплуатации прибора БВЕК.431110.04.РЭ измеритель параметров микроклимата Метеоскоп-М.
В ходе проведения измерений параметров микроклимата определены: температура воздуха, скорость движения воздуха, относительная влажность и ТНС-индекс. Измерения каждого из перечисленных параметров проведены многократно на разных уровнях по вертикали (расстояниях от пола кабины): 0.1 м, 1 м и 1.5 м.
Таким образом, собран достаточно обширный фактический материал для последующего его обобщения и
анализа.
Данные параметров микроклимата, полученные в ходе проведения СОУТ. Для определения класса условий труда (КУТ) в условиях нагревающего микроклимата по измеренным параметрам использовано автоматизированное программное обеспечение, разработанное Клинским институтом охраны и условий труда.
В результате СОУТ из 19 обследованных рабочих мест машиниста автомотрис для 9 путевых машин установлен 4-й КУТ (недопустимые условия труда), а для 10 рабочих мест- 3.4 (вредные условия труда).
Рассмотрим подробно данные параметров микроклимата19 автомотрис, разделенные на два массива по КУТ: 3.4 и 4 [8]. Такие параметры микроклимата, как скорость движения воздуха и относительная влажность соответствуют норме, поэтому КУТ определён по температуре и ТНС-индексу.
На рис.2 представлены результаты серии измерений температуры в кабинах машинистов автомотрис на высоте 1м от пола (положение сидя) для путевых машин с КУТ 4. Заметно, что средняя температура значительно превышает санитарные нормы на 7.20С.
На рис.4 показаны результаты определения интегрального показателя ТНС-индекса в кабинах машиниста автомотрис на высоте 1.5 м от пола (положение стоя) для путевых машин с КУТ 4.
Из графика следует, что ТНС-индекс значительно превышает санитарные нормы в среднем на 5.4 0С.
На рис.5 показаны результаты определения интегрального показателя ТНС-индекса в кабинах машиниста автомотрис на высоте 1,5 м от пола (положение стоя) для путевых машин с КУТ 3.4.
34 32 ои 30 & 28
^26
го
^ 24
Ф
I 22
Ф
г- 20
Номер измерения, №
10 15
Измерение
20 25 30
— Нижний допуск —
35 40
Верхний допуск
45
50
0
5
Рис. 2. Обобщенные температуры в кабине машиниста автомотрис с КУТ 4 измеренные на высоте 1м от пола
Аналогично построены зависимости температур внутри кабин для путевых машин с КУТ 3.4 (рис.3).
34 ои 32
а30 >
£ 28 го
Ф 26
с
1 24 £
22 20
•••
•• ••• • •
•••
• Измерение — — Нижний допуск — — Верхний допуск 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Номер измерения, №
0
Рис. 3. Обобщенные температуры в кабине машиниста автомотрис с КУТ 3.4 измеренные на высоте 1м
от пола
Полученные экспериментально значения температуры и ТНС-индекса не могут дать объективного представления о том, как данные параметры микроклимата меняются в течении времени в кабине автомотрисы.
Кроме того, предварительно неизвестен закон распределения этих параметров, если их рассматривать как случайные величины, особенно в условиях отсутствующих или нефункционирующих систем нормализации микроклимата в кабинах автомотрис.
34 и 32
О
0 30
¡^ 28
1
5 26
£ 24 I-
22 20
• -
• %
• * »■ • -
---
• Измерение — — Верхний допуск
10 20 30 40 50 60 70
Номер измерения, №
80
90
100
0
Рис. 4. Обобщенные ТНС-индексы в кабине машиниста автомотрис с КУТ 4 измеренные на высоте 1,5м
от пола
34 32 ^ 32 °<_Т 30 ^28 н ? 26 и ^ 24 22
• _
•V« ••• ........•••••• • ш
« Измерение --Верхний допус к
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Номер измерения, №
Рис. 5. Обобщенные ТНС-индексы в кабине машиниста автомотрис с КУТ 3.4 измеренные на высоте 1,5м
от пола
Представляет интерес зависимость микроклимата в кабине (внутренний фактор) от параметров окружающей среды (внешний фактор), которые можно установить из открытых источников, зная время и место проведения измерения. Степень линейной связи между этими параметрами характеризует коэффициент корреляции Пирсона.
На первом этапе исследования была предпринята попытка исследовать зависимости температуры и ТНС-индекса в кабинах от текущего времени на разных высотах от пола. Однако, такая интерпретация полученных данных некорректна, так как измерения проведены через различные промежутки времени при разных погодных условиях, поэтому можно столкнуться с проблемой недостоверности прогноза.
Следовательно, необходимо уйти от зависимостей температуры и ТНС-индекса от времени (временных рядов), а анализировать искомые параметры микроклимата как выборки, используя описательную статистику и подбирая оптимальный вид распределений исследуемых величин.
Также следует рассмотреть вопрос о закономерностях изменения величин градиентов температур и ТНС-индекса в кабине автомотрисы grad (Т), grad (ТНС-индекс), 0С/м.
Известно, что при обеспечении допустимых величин микроклимата на рабочих местах:
- перепад температуры воздуха по высоте от уровня пола (0.1; 1.0; 1.5) м должен быть не более 3 °С;
- перепад температуры воздуха по горизонтали, а также ее изменения в течение смены не должны превышать: для категорий работ 1а и 1б - 4 °С; для категорий работ II и 11б - 5 °С.
На рис. 6 и рис. 7 представлена визуализация имеющегося массива данных об исследуемых параметрах микроклимата автомотрис - температуре и ТНС-индексе соответственно, значения которых отложены по оси абсцисс. Имеющийся массив разбит на группы в зависимости от высоты (ось ординат, три точки измерения: 0.1 м, 1.0 м, 1.5 м), и КУТ, установленного в ходе СОУТ (обозначен цветом).
Статистические параметры распределений. В качестве первичного анализа исследуемых величин для каждой группы вычислены квартили распределений, а также найдена их ядерная оценка плотности [9]. Полученные результаты представлены на рис. 8 и 9. Длинной пунктирной линией обозначена медиана каждой выборки, короткой - первый и третий квартили.
Заметим, что для машин, отнесённых в результате СОУТ к КУТ 4, распределение температур визуально напоминает нормальное, как и на высоте 0.1 м. При этом распределения температур в кабинах класса 3.4 на высотах
1 м и 1.5 м имеют по два пика - наиболее характерных значения рассматриваемого параметра. Аналогичная ситуация наблюдается и для ТНС-индекса, однако в этом случае пики распределений выражены менее явно, так как данный показатель является интегральным.
Класс
• 3.4
• 4
ф-НИи
iliÜlh üiir ■!•
ütji с нЩшШЬг • tlm ........ •!•
•> ct
hHíil
|Н|.ф{ « i.-,
28 29 30 31 32 33
Температура, °C
Рис. 6. Данные о температуре в кабинах автомотрис на различной высоте
fÜiiiiitjj ||iH¡ |j!]h|i|¡*:'i"l
-1|.>П!>М1| ||>iÍ i,l!Í i | г \Ц . !
Класс
• 3.4
• 4
• » * • *
■H-Hilíjij
i II{|! i i i *
28 29 30 31 32 33
ТНС-индекс, "С
Рис. 7. Данные о ТНС-индексе в кабинах автомотрис на различной высоте
Также рассчитаны интегральные моменты рассматриваемых распределений [10]. Они представлены в
таблице 1.
Отметим, что для кабин, отнесённых к классу 3.4, наименьшая температура в среднем наблюдается на высоте 1 м, в то время как в классе 4 на данной высоте температура максимальна. При этом распределения температур в кабинах класса 3.4 на высотах 0.1 м и 1 м имеют относительно большие среднеквадратичные отклонения, следовательно, разброс значений здесь выше. Наконец, близкие к нулю значения асимметрии и коэффициента эксцесса говорят о близости распределений исследуемых величин к нормальному закону.
29 30 31
Температура, ВС
Рис. 8. Распределения температуры в кабинах автомотрис на различной высоте
114
2S 29 30 31 32 33
ТНС-индекс, "С
Рис. 9. Распределения ТНС-индекса в кабинах автомотрис на различной высоте
Таблица 1
Интегральные моменты распределений температуры в кабинах автомотрис_
Класс 3.4
Высота, м Среднее СКО Асимметрия Эксцесс
0.1 29.69 0.63 -0.172 -0.196
1 29.5 0.654 -0.455 -0.176
1.5 29.86 0.644 0.156 -0.773
Класс 4
Высота. м Среднее СКО Асимметрия Эксцесс
0.1 31.01 0.74 0.173 -0.069
1 31.27 0.871 0.627 -0.467
1.5 30.88 0.654 -0.163 -0.158
Аналогично рассчитаны интегральные моменты распределений для ТНС-индекса в кабинах автомотрис, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Интегральные моменты распределений ТНС-индекса в кабинах автомотрис
Класс 3.4
Высота, м Среднее СКО Асимметрия Эксцесс
0.1 29.68 0.633 -0.083 -0.331
1 29.5 0.637 -0.392 -0.539
1.5 29.85 0.661 0.343 -0.654
Класс 4
Высота. м Среднее СКО Асимметрия Эксцесс
0.1 31.01 0.712 0.188 -0.389
1 31.27 0.871 0.563 -0.677
1.5 30.88 0.669 -0.215 -0.275
3 2
oU 1
СО
> 0
I-
со ( о. «и-1 с 2 £-2
-3
-4
Номер измерения, № 0,1 -1 м »0,1 -1,5 м Ol -1,5 м Рис. 10. Градиент температуры в кабине по высоте для автомотрис КУТ 4
115
• • _Л
• • • • • • • * • III
• k 1 • . | • | — i 1 - . 2 4 > • щ
ч 2 3 1 5 ш 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 О _1_1_А_1_А_1_1_1_1_
О О ° ° о
—w- О о О W
о ^ „
Ф 0
и
I
5 ■
и
• • • ~
• • у | • • • Т • Т
» • • < • ■ • -
0 : 2 > 3 4 5 5 6 5 7 8 5 9 ^ - 5 10 11 12 13 14 15 16
Ш ш О
о * о о о \_А_1
> о о о О О "
1 2
I-
-3 -4
Номер измерения, № • 0,1 -1 м »0,1 -15 м 01 -1,5 м
Рис. 11. Градиент ТНС-индекса в кабине по высоте для автомотрис КУТ 4
Интегральные моменты распределений ТНС-индекса практически не отличаются от аналогичных параметров распределений температуры. Стоит заметить, что коэффициент эксцесса в данном случае принимает несколько большие значения, что говорит о наличии более явных экстремальных значений - выбросов. Несмотря на это, здесь также имеет место близость к нормальному закону.
Градиенты температуры и ТНС-индекса. Также микроклимат в кабинах путевых машин характеризуется градиентами температуры по высоте, рассчитываемыми между различными парами точек измерения [11]. Кроме того, весьма информативен градиент ТНС-индекса, впервые предложенный в данной работе.
На рис.10 и на рис.11 представлены градиенты температуры grad (Т), и ТНС-индекса grad (ТНС-индекс) внутри кабины отдельно взятой автомотрисы с классом УТ 4.
Аналогично построены градиенты температуры (рис.12) и ТНС-индекса (рис. 13) для автомотрис
с КУТ 3.4.
Анализируя графики градиентов температур и ТНС-индексов, можно сделать вывод, что наименьшее отклонение от нуля имеют градиенты на высотах 0,1 - 1,5 метра. Из этого напрямую следует, что на данных высотах показатели нагрева воздуха не сильно различаются между собой. Действительно, наибольший нагрев воздуха происходит, как правило, на уровне 1 м от земли, т.е. примерно на высоте головы оператора машины.
4
и
о
СО >
I-
со а ш с
о
о ° О О о
о О О А 1 •
• • А к
0 >2 3 4 5 6" • • • Л • 8 9 10 11 12 13 14 15 16
« » •
Номер измерения, № 0,1 -1 м «0,1 -1,5 м 01 -1,5 м
Рис. 12. Градиент температуры в кабине по ее высоте для автомотрис с КУТ 3.4
и
и ^
ш
I
5 ■
и
О о о
о о о —^— • • о
• • 0 1 • • » • • • .
0 1 2 к • • > 3 4 5 6 7 8 5 9 10 11 12 13 14 15 16 •
• • • _•_1_1_1
Номер измерения, № 0,1 -1 м »0,1 -1,5 м 01 -1,5 м
Рис. 13. Градиент ТНС-индекса в кабине по ее высоте для автомотрис с КУТ 3.4
116
Статистическая связь внутренних и внешних температур. Вследствие отсутствия в кабине автомотрисы работы кондиционера интерес представляет статистическая связь внутренних (в кабине) и внешних температур (окружающая среда). Для её выявления вычислены средние значения температуры внутри каждой автомотрисы, участвующей в эксперименте, а также измерена температура окружающей среды в то же время и в том же месте. Результаты расчётов показаны на рис. 14.
В подавляющем большинстве случаев температура в кабине значительно превышает внешнюю, что связано с наличием источников тепла внутри кабины и отсутствия системы их компенсирования. Коэффициент корреляции между этими показателями равен 0.4647, что говорит об отсутствии сильной линейной зависимости между ними.
и
о
ГО >
I-
го а ш с
35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19
Номер автомотрисы, № Снаружи • Внутри
Рис. 14. Показатели внешней и внутренней температур
Графически такая связь представлена на рис.15, где по оси абсцисс отложены значения температуры снаружи, а по оси ординат - внутри. Красным пунктиром обозначена линия регрессии: чем ближе точки к этой прямой, тем сильнее корреляция.
32 31,5 31 30,5 30 29,5 29 28,5
18 20 22 24 26 28 30
Рис. 15. Связь температур в кабине и окружающей среды
32
34
Выводы:
1.Представлено статистическое описание параметров микроклимата в кабинах путевых машин, основанное на данных СОУТ о 19 автомотрисах.
2.Слабая связь между внутренней и внешней температурами при неработающей охлаждающей системе говорит о том, что кабина автомотрисы является практически замкнутой термодинамической системой, а основные источники тепла - оборудование и персонал, находящиеся в ней.
3.Введено понятие градиента ТНС-индекса как разновидность интегрального показателя, характеризующего микроклимат кабины.
4.Градиенты температур редко превышают норму в 3°С, при этом в кабинах с КУТ4 значение данного параметра в значительной степени зависит от выбора точек измерения, а для КУТ3.4 такой тесной связи не наблюдается.
5.Перспективным направлением развития данной работы является математическое моделирование распределений температуры и ТНС-индекса в кабине для различных высот и КУТ с целью прогнозирования этих показателей.
Список литературы
1. Тимошенкова Е.В. Выбор системы обеспечения микроклимата в помещениях подвижного состава для летнего режима эксплуатации: дис. канд. тех. наук. Москва, 2002. 230 с.
2. Галкина О.В. Обеспечение нормируемого температурного режима в кабинах железнодорожного подвижного состава: дис. канд. тех. наук. Москва, 2002. 163 с.
3. Масленский В.В., Булыгин Ю.И. Энергетическая эффективность вариантов солнцезащиты кабины трактора // Актуальные проблемы науки и техники. 2020: материалы нац. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: ДГТУ, 2020. С. 301-303.
4. Besik Meskhi, Yuri Bulygin, Ekaterina Shchekina, and Viktor Maslensky Elements of the normalization system of microclimate in the cabin of grain mandy combine TORUM // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. №.403. С. 012089.doi:10.1088/1755-1315/403/1/012089.
5. Yuriy Bulygin, Viktor Maslensky, Ekaterina Shchekina, Denis Ashikhmin, Vadim Baranichenko, Aleksander Pavlikov. Finite element simulation for microclimate normalization at the crane operator workplace // ERSME-2023 // E3S Web of Conferences 376, 03024 (2023).
6. Масленский Виктор Валерьевич. Улучшение условий труда операторов технологических и мобильных машин в условиях нагревающего микроклимата: автореферат дис. канд. техн. наук: 05.26.01. Ростов-на-Дону, 2021. 20 с.
7. Идентификация производственных факторов, влияющих на условия труда работников локомотивных бригад тепловозов и мотовозов / Т.А. Финоченко, А.Н. Чукарин, И.А. Яицков. Инженерный вестник Дона, 2017, №4.
8. Андруш В.Г., Ткачёва П.Т., Яшин К.Д. Охрана труда: учебник. 2-е изд., исправленное и дополненное. Минск: РИПО, 2021. 334 с.
9. Зинченко А.П. Статистика: учебник. Москва: Колосс, 2016. 566 с.
10. Гореева Н.М. Статистика в схемах и таблицах. Москва: Эксмо, 2017. 414 с.
11. Теория теплообмена: Учебное пособие / Л.А. Ткаченко, А.В. Репина. Под общей ред. проф. Н.Ф. Ка-шапова. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2017. 151 с.
Баланов Игорь Андреевич, аспирант, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Булыгин Юрий Игоревич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Ашихмин Денис Валерьевич, аспирант, ashihmindenisl50498@gmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Гуменюк Алексей Сергеевич, магистрант, gumenyuk_as@bk. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Финоченко Татьяна Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
STATISTICAL ANALYSIS OF MICROCLIMATE PARAMETERS IN THE CABINS OF TRACK MACHINES I.A. Balanov, Yu.I. Bulygin, D.V. Ashikhmin, A.S. Gumenyuk, T.A. Finochenko
The paper presents a statistical description of the microclimate parameters in the cabins of track vehicles, based on measurement data during the implementation of SOUT at the workplaces of 19 railcars in conditions of missing or nonfunctioning air conditioning systems. The relationship between the temperature inside the cabin and outside when the cooling system is not working is determined to be insignificant (the correlation coefficient does not exceed 0.5). The obtained result confirms that the cabin of a railcar is an almost closed thermodynamic system, and the main heat sources are the equipment and personnel located in it. The authors introduced the concept of the THC index gradient as a type of integral indicator characterizing the cabin microclimate. Experimental data show that temperature gradients rarely exceed the sanitary standard of 3°C, while in cabins with a working condition class (KUT) 4, the value of this parameter largely depends on the choice of measurement points, and for KUT 3.4 such a close relationship is not observed. A promising direction for further research is mathematical modeling of the distributions of temperature and THC index in the cabin for various heights and KUT in order to predict these indicators taking into account environmental conditions.
Key words: statistical analysis, track machine, cabin microclimate, THC index, correlation, parameters of distributions of values.
Balanov Igor Andreevich, postgraduate, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport
University,
Bulygin Yuri Igorevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected]. Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Ashikhmin Denis Valerievich, postgraduate, ashihmindenisl50498@gmail. com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Gumenyuk Alexey Sergeevich, master's, gumenyuk [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical
University,
Finochenko Tatyana Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, head of department, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
