МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО – ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІЗОТОВА КАТЕРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА
УДК 331.101.1
ФОРМУВАННЯ РОБОЧОГО СЕРЕДОВИЩА
ОПЕРАТОРА – ЗВАРЮВАЛЬНИКА ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ДЕТАЛЕЙ
ПРИ ДІЇ ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
05.01.04 – Ергономіка
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українській інженерно – педагогічній академії
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор
Іванов Віктор Георгійович,
Українська інженерно – педагогічна академія, професор
кафедри “Охорона праці та навколишнього середовища”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Ашеров Аківа Товійович,
Українська інженерно – педагогічна академія,
зав. кафедрою інформатики та комп’ютерних технологій
кандидат технічних наук
Буров Олександр Юрійович,
СП Українські інформаційні системи ,
керівник центру ергономіки та безпеки
Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра “Зварювального виробництва”, Міністерство освіти і науки України, м.Київ
Захист відбудеться “_16__” ____05____2003 р. о _ 14 _ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 059.03 при Харківському національному автомобільно – дорожньому університеті за адресою: 61002, Харків, вул. Петровського, 25
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного автомобільно – дорожнього університету за адресою: 61002, Харків, вул. Петровського, 25
Автореферат розісланий “ _7__” _____04_______ 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент Смирнов О.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Однією з задач, рішення яких необхідно для підняття економіки України, є підвищення продуктивності і якості робіт у турбінобудуванні, що є пріоритетною галуззю для України. Основою турбінобудування є виробництво роторів турбін, які являють собою великогабаритні деталі масою від 30 до 200 тонн. Обсяг зварювальних робіт при зварюванні турбін може досягати 70 … 90% від загального обсягу робіт , а цикл зварювання - до 5 діб. Зварювання цих конструкцій супроводжується попереднім нагріванням деталей до 2500C і вище. За родом діяльності роботу зварювальника можна розглядати як сполучену діяльність оператора – технолога й оператора – контролера.
Основними негативними факторами робочого середовища оператора - зварювальника є шум, загазованість і висока температура. За даними заводської лабораторії ВАТ “Турбоатом” (м. Харків) рівень шуму на робочому місці зварювальника перевищує гранично припустимий рівень у 4 … 5 разів; реальна концентрація шкідливих речовин (з’єднань Mn, вуглекислого газу, окисів заліза) у повітрі робочої зони на робочому місці зварювальника перевищує гранично припустиму концентрацію по кожній складовій у 2,5 … 3 рази, по пилу (часткам оксиду кремнію) – у 5 … 7 раз. Але, головне, температура повітря в робочій зоні зварювальника при наявних засобах зниження цієї температури все рівно залишається дуже високою і може перевищувати 400С. Така температура різко погіршує умови роботи та робить неможливою роботу в жаркий період. При цьому на поверхні шкіри робітника спостерігається почервоніння і лущення.
Таким чином, по сумі балів, що оцінюють вплив факторів робочого середовища, робота оператора – зварювальника великогабаритних деталей може бути віднесена до вищої (шостої) категорії складності .
Огляд ергономічної літератури показав, що проектування умов роботи за критеріями якості діяльності оператора є найменш опрацьованою проблемою. Огляд літератури з питання теплового впливу на якість діяльності людини взагалі і на оператора – зварювальника зокрема показав, що, незважаючи на важливість проблеми формування комфортного робочого середовища оператора – зварювальника, ця проблема практично не розроблена ні в охороні праці, ні в ергономіці. Зокрема:
·
дослідження тепловідчуття людини, що виконує зварювальні роботи на деталях, нагрітих до 250 … 300°С, взагалі не проводилися, не говорячи вже про оцінку якості його діяльності;
·
дослідження щодо впливу підвищених температур протягом робочого дня на різні фактори якості діяльності людини-оператора в зварювальних технологіях не проводилися;
·
методи визначення полів температур навколо нагрітих деталей великих габаритів в умовах перемінних коефіцієнтів теплопровідності розроблені недостатньо, тому немає моделей, що зв’язують якість діяльності оператора – зварювальника з температурою повітряної зони на робочому місці;
·
такі міри захисту від теплового впливу як охолоджені екрани і вентиляція робочого місця не забезпечені моделями для їхнього проектування і поки що скоріше носять рекламний, а не практичний характер; зокрема, не поставлені і не вирішені задачі: оптимального розміщення захисних охолоджених екранів і вибору їхніх необхідних потужностей для забезпечення заданого рівня робочих температур навколо деталі; вибору режимів руху охолоджуючого повітря навколо деталі для забезпечення комфортних умов працюючого при зварюванні деталей великих габаритів.
Науковий базис для розв’язання проблеми. Дослідження в галузі систем “людина-машина” СЛМ , “людина-техніка-середовище” (СЛТС) мають у нашій країні сорокорічну історію. Працями Ананьєва В.Г., Анохіна А.Н., Ахутіна В.М., Ашерова А.Т., Венди В.Ф., Войненко В.М., Гаврилова Е В., Галактіонова А.И., Губинського А.И., Зараковського Г.М., Зінченко В.П., Євграфова В.Г., Кобзєва В.В., Корольова В.А., Крилова А.А., Леонтьєва А.Н., Ломова В.Ф., Львова В.М., Маньшина Г.Г., Медведєва В.І., Муніпова В.М., Павлова В.В., Суходольського Г.В., Чабаненко П.П., Шлаєна П.Я., Фокіна Ю.Г. і багатьох інших учених сформувався науковий напрямок “Ергономіка” як “галузь знання, що комплексно вивчає трудову діяльність людини в системах “людина-техніка-середовище” з метою забезпечення її ефективності, безпеки і комфорту”. У роботах проф. Губинського А.І., проф. Ротштейна А.П. та їхніх учнів отримані важливі результати в теорії ефективності і якості СЛТС. Дослідження стану функціональних систем організму людини у зв’язку з реакцією на вплив небезпечних і шкідливих виробничих факторів, а також оцінювання реакцій організму людини на вплив небезпечних і шкідливих виробничих факторів розглядалися Б. В. Бірюковим і його учнями. Фундаментальні дослідження з оцінювання умов мікроклімату і прогнозування його впливу на організм працюючої людини минулого проведені в 90 – і роки у НДІ охорони праці (м. Москва) під керівництвом Л.П. Бобрової - Голикової, О.М. Мальцевої та ін.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до урядової програми “Україна –2010” (проект 4 –“Технологічне і технічне оновлення виробництва”). Тема дисертації пов’язана з виконанням держбюджетної теми №6/18 “Дослідження і розробка нових технологій при зварювальних роботах”, що проводилася кафедрою зварювального виробництва Української інженерно-педагогічної академії.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів і засобів проектування комфортного робочого середовища оператора - зварювальника великогабаритних деталей, нагрітих до високої температури.
Об’єктом дослідження є діяльність оператора - зварювальника великогабаритних деталей, нагрітих до високої температури.
Предметом дослідження є вплив високої температури повітря в робочій зоні оператора - зварювальника на якість діяльності та засобу зниження цього впливу.
Для досягнення мети були вирішені такі задачі:
1.
Аналіз літератури в галузі ергономіки, охорони праці та електрозварювання по темі дослідження, виявлення особливостей діяльності зварювальника великогабаритних деталей, нагрітих до високої температури, особливостей його робочого середовища та можливостей існуючих методів і засобів проектування комфортного робочого середовища зварювальника як оператора СЛТC.
2.
Розробка методу побудови моделі оцінки якості діяльності оператора – зварювальника і проведення експерименту для побудови емпірричних поверхонь спільного розподілу показників продуктивності роботи, якості праці і стомлюваності для різних температур і фаз робочого дня та сконструювати на основі експериментів комплексний показник якості діяльності.
3.
Постановка задачі вибору засобів захисту оператора – зварювальника від теплового впливу і вирішення її на основі моделі розподілу температури повітря в робочій зоні зварювальника для умов відсутності охолодження і для умов розташування охолоджених трубопроводів по висоті робочої зони зварювальника; встановлення залежності між температурою повітря в заданій точці робочої зони зварювальника і потужністю охолоджуючих пристроїв при заданих розмірах деталі і температурі її нагрівання.
4.
Розробка моделі розподілу температури повітря в робочій зоні зварювальника при примусовій вентиляції робочого місця і провести експеримент по визначенню раціональних параметрів вентилювання: тиску й температури рідини, що охолоджує повітря для вентилювання.
5. Розробка моделі для визначення раціональной тривалості безупинної роботи та відпочинку оператора-зварювальника нагрітих великогабаритних деталей; становлення залежності зниження продуктивності, часу безупинної роботи без утрати продуктивності, часу відпочинку для повного відновлення працездатності від температури повітряної зони при наявності захисних екранів.
6. Встановлення залежності енерговитрат на підтримку температури повітряної зони на заданому рівні від температури повітряної зони для різних співвідношень між продуктивністю і вартістю зробленої продукції і на їхній основі встановити область економічної доцільності проведення охолоджувальних захисних заходів.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Відомі в літературі методи і моделі оцінки за критерієм продуктивності комфортності робочого середовища операторів, що знаходяться в замкнутих приміщеннях і виконують роботи при підвищених температурах, доповнені новими методами і моделями комплексної оцінки значного теплового впливу на продуктивність праці, якість роботи і стомлюваність оператора.
2. Уперше поставлена і вирішена задача вибору засобів захисту оператора від теплового впливу на основі моделей розподілу поля температур повітря в робочій зоні зварювальника великогабаритних нагрітих деталей з обліком і без обліку ефекту охолоджуючих трубопроводів і вентилювання та встановлені нові факти, необхідні для ергономічного проектування робочого місця зварювальника великогабаритних нагрітих деталей.
3. Відомі моделі і рекомендації для визначення періодів роботи і відпочинку операторів СЛМ, що працюють у комфортному та дискомфортному робітничому середовищі, доповнені новою емпіричною моделлю і рекомендаціями для операторів – зварювальників нагрітих великогабаритних деталей, що працюють у понадекстремальному середовищі.
Практичне значення отриманих результатів. Одержані наукові результати дозволяють:
·
обґрунтовано прогнозувати очікувані результати роботи оператора- зварювальника ;
·
визначати параметри засобів захисту людини від теплового впливу з ергономічних критеріїв;
·
сформувати рекомендації з вибору режиму роботи операторів - зварювальників великогабаритних деталей, що істотно відрізняються від загальноприйнятих, тобто сформувати нові, більш шкодуючи нормативи роботи для цієї категорії працівників;
·
вибрати розташування робочого місця з позиції забезпечення комфортної температури повітряної зони;
·
вибрати розташування засобів захисту зварювальника від теплового впливу і їхні параметри, включаючи енерговитрати;
·
вибрати економічно доцільні межі енерговитрат на охолодження повітряної зони робочого місця до заданого рівня.
Результати роботи впроваджені у ВАТ “Турбоатом” (м. Харків), у НПО “Єлектроважмаш”, у навчальний процес Української інженерно – педагогічної академії (м. Харків) і Харківського машинобудівного коледжу.
Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, що виносяться на захист, отримані особисто автором. У публікаціях,що написані у співавторстві, дисертанту належать: у статті “Створення захисних екранів у процесі зварювання деталей великих габаритів” – математична модель, числовий розрахунок, аналіз моделі розподілу температур; у статті “Методи вентиляції робочого місця в процесі зварювання товстостінних деталей” - метод визначення полів температур, розрахунок оптимальних параметрів роботи установки, що вентилює; у статті “Прогнозування продуктивності при зварюванні в умовах впливу високих температур” - план, обробка і результати експерименту.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на міжнародній науково – методичній конференції “Сучасні проблеми зварювання і спорідних технологій” (Маріуполь, 2001 р.); Всеукраїнській конференції “Актуальні проблеми інженерної підготовки спеціалістів у вищих навчальних закладах інженерно – педагогічного профілю” (Харків, 2000 р.);Рєгіональній конференції “Безпека життедіяльності”(Харків, 2002р.) і обговорювалися на спільних наукових семінарах кафедри “Охорона праці і навколишнього середовища” і кафедри зварювання Української інженерно – педагогічної академії (м. Харків) і на науково – технічній раді відділу головного зварювальника ВАТ “Турбоатом”.
Публікації. Основні результати дослідження опубліковані в 8 наукових працях, з яких 5 входять до переліку видань, що затверджені ВАК України, а також у матеріалах 3 науково – методичних конференціях
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 170 найменувань. Дисертація викладена на 135 сторінках і включає 60 рисунків, 13 таблиць та 5 додатків.
СТИСЛИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені об’єкт, предмет, гіпотеза і теза дослідження, сформульовані мета і задачі дослідження. Названо результати, що виносяться на захист, визначені їхня новизна, вірогідність і практична значимість. Визначено особистий внесок автора в спільних наукових публікаціях, дані зведення про апробацію результатів.
У першому розділі “Стан проблеми ергономічного забезпечення діяльності зварювальника в умовах високих температур” виявлені й обґрунтовані актуальні задачі формування комфортного робочого середовища оператора – зварювальника великогабаритних деталей при дії високих температур. На основі проведеного аналізу стану проблеми формування комфортного робочого середовища оператора-зварювальника великогабаритних деталей при дії високих температур сформульована наукова задача, що розв’язується в дисертації: поставити і провести дослідження впливу підвищених температур протягом робочого дня на різні фактори якості діяльності людини-оператора в зварювальних технологіях і на підставі цих досліджень визначити:
·
оптимальні варіанти розміщення захисних охолоджуючих екранів і їхні необхідні потужності для забезпечення заданого рівня робочих температур навколо деталі;
·
режими руху охолоджуючого повітря навколо деталі для забезпечення комфортних умов працюючого при зварюванні деталей великих габаритів;
·
раціональні режими роботи і відпочинку з позиції забезпечення визначеного рівня якості діяльності.
Розроблено схему розв’язання задачі дисертаційного дослідження.
В основу формулювання задачі дисертаційного дослідження покладено: 1)формалізований опис діяльності зварювальника деталей великих габаритів, що включає підготовчі, робочі і контрольні операції; 2) визначення роботи зварювальника як сполученої діяльності оператора – технолога й оператора – контролера; 3)психологічна структура діяльності оператора – зварювальника великогабаритних деталей і вибір на її основі показників якості його діяльності; 4) аналіз робочого середовища і факторів, що визначають вагу роботи оператора-зварювальника, висновок про вищу категорію складності його роботиі; 5) раніше проведені дослідження теплового впливу на оператора – зварювальника і виділення на їхній основі великої кількості параметрів, що впливають на тепловідчуття людини; 6) виявлені перспективні напрямки захисних заходів від дії теплового випромінювання.
У другому розділі “Побудова моделі якості діяльності оператора – зварювальника при дії високих температур” побудована інтенсіональна семантична модель знань про робоче місце й умови роботи зварювальника; розроблено метод побудови моделі оцінки реальної якості діяльності оператора-зварювальника; емпіричним шляхом отримані поверхні спільного розподілу показників продуктивності і якості роботи, продуктивності і стомлюваності, якості роботи і стомлюваності для низької (18°С), середньої (25°С) і високої (32°С) температур і для трьох періодів робочого дня: ранок, день, вечір; на підставі вищевказаних розподілів сформований емпіричний розподіл сконструйованого комплексного показника якості діяльності для різних температур повітряної зони робочого місця; розроблено модель визначення раціональної тривалості безупинної роботи і відпочинку оператора – зварювальника великогабаритних деталей.
Новизна результатів є у наступному. По-перше, інженерно – інтуїтивні уявлення про залежність якості діяльності від температури повітряної зони на робочому місці і від фази робочого дня, що існують на виробництвах зі зварювальними технологіями, у тому числі в турбінобудівництві, вперше одержали кількісне підтвердження. По-друге, уперше вивчений вплив теплової дії одночасно на продуктивність роботи, якість роботи і стомлюваність оператора. І, по-третє, відомі моделі і рекомендації для визначення періодів роботи і відпочинку операторів СЛМ доповнені новою емпіричною моделлю і рекомендаціями для операторів-зварювальників нагрітих кільцевих великогабаритних деталей.
Для формального відображення в моделі якості діяльності оператора – зварювальника взаємозв’язків між елементами СЛТС і їхніми властивостями побудована вербальна модель знань про модельовану предметну галузь у формі інтенсіональної семантичної моделі знань про робоче місце й умови роботи зварювальника. Призначення описаної моделі знань – дати попереднє уявлення про модельовану предметну галузь й обґрунтувати постановку задачі.
Метод побудови моделі оцінки реальної якості діяльності оператора – зварювальника реалізує таку постановку.
Відомо, що в принципі існують наступні залежності:
p(Ш, t?C )=f1(Ф), (1)
p(L,K)=f2(Ф, t?C), (2)
p(L,IQ)= f3(Ф, t?C), (3)
p(IQ,K)=f4(Ф, tєC), (4)
де Ш – показник (рівень) шуму на робочому місці; t?C – температура повітря на робочому місці; Ф -фаза трудового циклу: ранок, день, вечір; IQ – показник розумового стомлення; L – показник продуктивності роботи; K - показник якості продукції; p(x,y) – щільність імовірності спільного розподілу факторів x, y. Потрібно одержати ці залежності в експерименті і на їхній основі реконструювати функціонал
C=u(IQ,L,K) (5)
реальної якості діяльності оператора – зварювальника для прийняття подальших рішень по створенню комфортного робочого середовища.
Ідея реалізованого методу рішення є у наступному: проведення великої кількості експериментів з метою одержання емпіричних поверхонь двовимірного розподілу тих чи інших показників, висування гіпотези про структуру функціонала С, розрахунок крапкових емпіричних значень функціонала і використання методу статистичних іспитів для формування його емпіричного розподілу.
На 1-му етапі експериментально будуються поверхні двовимірного розподілу пар показників (Ш - t?C), (L – K), (L – IQ), (K – IQ) при різних значеннях температури на робочому місці і для різних фаз трудового циклу (ранком, удень, увечері) при фіксованих інших показниках.
На етапі 2 висувається гіпотеза про структуру функціонала С. В основі гіпотези лежить уявлення про те, що показник реальної працездатності формується під дією великої кількості суперечливих і незалежних факторів і повинени відбивати кількість роботи і якість роботи (фізична робота) і психічні витрати зварювальника як оператора (розумова робота). Ці інтегральні показники в абсолютній формі не адитивні. Тому як гіпотеза приймається структура функціонала у формі
C=k1C10 – k2 C20 + k3 C30, (6)
де k1, k2 ,k3 – коефіцієнти ваги; 1? ki =0, i=1,2,3; ;
C10,C20,C30 – відносні форми показників L, K і IQ.
На етапі 3 формується емпіричний розподіл функціонала С в такий спосіб. За результатами експерименту розраховуються значення C10,C20,C30 і будуються емпіричні поверхні розподілу показників продуктивності роботи, якості роботи і стомленості в залежності від температури повітря в робочій зоні і фази трудового циклу. Приклад такої поверхні наведений на рис. 1. Далі за відомим значенням четвірок (Сi, З10i, З20i, З30i) по методу найменших квадратів визначаються вагові коефіцієнти k1, k2 , k3, і на основі гистограм розподілу показників C1, C2, C3 будується розподіл показника С з використанням методу статистичних іспитів. Розподіл С апроксимується нормальним розподілом.
Взаємна незалежність факторів C1, C2, C3 і характер формули дозволяють розраховувати (відповідно центральній граничній теоремі) на повну відповідність функції з гаусовським розподілом. Експерименти на контрольних групах робітників-зварювальників і учнів ПТУ зварювального профілю показали добре сходження з теоретичними даними (згода перевірялася за критерієм Пирсона 2).
Експериментальні дослідження якості діяльності при дії підвищених температур були проведені в лабораторних умовах і на виробництві взимку і навесні 2000 – 2001р. Для перевірки тепловідчуття для визначених значень параметрів мікроклімату досліджувалися 25 чоловік. Дослідження кожної особи проводилося протягом 3-6 днів по 2-3 рази в день тижневими циклами. Виміри проводилися вранці, через півгодини після початку роботи, удень, перед перервою,а також ввечері за півгодини до завершення роботи. Була передбачена щоденна адаптація випробуваних протягом 1-2 годин перед дослідженням протягом двох-трьох днів. Проводилися фізіологічні дослідження перед початком вимірів і після їхнього закінчення а також безупинна реєстрація окремих теплотехнічних і фізіологічних параметрів у ході серії досліджень.
Рис. 1. Залежність показника IQ від температури на робочому місці і фази трудового циклу. Т- температура, t - час, IQ – інтелектуальний рівень.
Експеримент проводився тільки з особами, вік яких перевищував 18 років, і тільки на основі добровільності. Суб’єкти експерименту: 1-а група: учні професійно-технічного училища на заняттях з виробничого навчання; 2-а група: контрольна: 25 осіб чоловічої статі (середній вік 25 років), що постійно працюють на зварювальній ділянці. Для вивчення впливу температури експерименти проводилися трьома циклами: взимку при температурах 18оС і 25оС. і влітку при температурі 32оС. Для визначення стомленості використовувалися експрес-тести за методикою Айзенка (IQ - тести), тест Бурдона для визначення зосередженості уваги і тест на уважність. Продуктивність вимірялася довжиною зварювального шва за одиницю часу, віднесеної до нормативного значення. Показником якості була питома вага дефектів, віднесена до нормативно припустимої ваги для даної операції.
За результатами вимірів показників за допомогою середовища MathCAD були побудовані поверхні спільного розподілу показників якості діяльності для трьох температур: 18оС, 25оС, 32оС і для трьох фаз робочого циклу: ранок, день, вечір (поверхні типу рис. 2).
Раціональна тривалість безупинної роботи і відпочинку оператора – зварювальника визначалась таким чином. В експерименті при постійному контролі стомлюваності і кількості дефектів для кожного робітника фіксувався час безперервної роботи до настання деяких критичних дій та часу перерви. За результатами вимірів були побудовані криві розподілу часу безупинної роботи і часу необхідного відпочинку, що добре апроксимуються гаусовськими розподілами. Новизна результату полягає в одержанні реальних, а не гіпотетичних оцінок середніх відтинків часу безупинної роботи і перерв на відновлення працездатності оператора – зварювальника при дії високої температури для обґрунтування прогресивних мікронормативів режимів роботи.
Рис. 2. Розподіл показників продуктивності і якості ввечері. C – продуктивність праці, D – кількість дефектів, p – густина ймовірності появи комбінації параметрів.
У третьому розділі “Вибір засобів захисту оператора – зварювальника від теплового впливу і визначення параметрів захисту ” поставлена і розв’язана задача вибору засобів захисту оператора – зварювальника великогабаритних деталей від теплового впливу. Новизна результату складається в розвитку відомої методики формування умов роботи і поширенні її на новий клас об’єктів – робоче місце оператора - зварювальника великогабаритних нагрітих деталей.
Задача вибору засобів захисту оператора – зварювальника від теплового впливу суворо формулюється як задача цілочисленного лінійного програмування з булевими перемінними. Аналіз вихідних даних для моделі показав недоцільність пошуку суворого рішення і вірогідність отриманого рішення. Ідея методу послідовних наближень з обмеженнями на ресурсия реалізується в послідовному застосуванні процедури атестації робочого місця за критерієм складності роботи й показника працездатності. Ця процедура реалізується в п’ять етапів.
Першим етапом у цьому методі є виявлення і розкриття закономірностей розподілу температури повітря в робочій зоні зварювальника в процесі зварювання деталей великих габаритів і при наявності захисних екранів. Для визначення необхідних параметрів охолодження вирішувалось рівняння теплопровідності в повітрі навколо кільцевої великогабаритної деталі, з огляду на охолоджуючий ефект трубопроводів. Деталь розглядалась як ряд зосереджених джерел тепла, і рівняння теплопровідності вирішувалось в кінцевих різницях у середовищі MathCAD. Розв’язання рівнянь спочатку велося в ідеальних умовах відсутності додаткового охолодження при абсолютно нерухомому повітрі Результати визначення поля температур показані на рис.3. З рисунка видно, що умови роботи посередині кільцевої деталі в описаних умовах практично неможливі. Температура може досягати 60...700С. Потім на другому етапі вирішувалась задача в умовах від’ємних джерел тепла, при цьому змінювалося розташування цих джерел (трубопроводів) по висоті кільця.
Рис.3. Розподілення температур навколо нагрітої деталі. x – координата, що йде довжиною деталі, h - координата, що йде висотою деталі.
На підставі розроблених моделей і проведених експериментальних досліджень установлено, що трубопроводи формують нерівномірний профіль температур робочого середовища, що веде до виникнення градієнта температур на робочому місці вздовж деталі. Найбільш рівномірного профілю температур у випадку зварювання кільцевих деталей можна досягти при розміщенні трубопроводів на відстані 0,2...0,3 і 0,6...0,8 від висоти деталі. Для інших деталей це розташування необхідно вибирати з умови досягнення по можливості більш рівномірного профілю температур.
Установка захисних екранів є досить ефективним засобом, але цілком не вирішує проблему. До того ж установка екранів має свої недоліки: дорого і незручно для робітника. Наступним по ефективності є примусове вентилювання робочого місця, що крім зниження температури в робочій зоні,має додаткові захисні властивості: видаляє пил з робочої зони.
Особливо яскраво ефект вентилювання виявляється в процесі обробки кільцевих деталей роторів турбін влітку в умовах нерухомого повітря, коли градієнт температур біля поверхні порівняно невеликий. Були складені диференцйні рівняння для визначення швидкості й температури в процесі теплообміну в умовах природної конвекції, які були приведені до виду в кінцевих різницях для рішення засобами MathCAD. Графіки зміни температури повітря в перерізі кільцевої деталі, де знаходиться робоче місце оператора – зварювальника, при різних значеннях швидкості повітря: 1)V=0; 2) V=0,2; 3) V=0,3; 4) V=0,4, наведені на рис. 4.
Рис.4 Розподіл температур в умовах вентилювання. 1-вентелювання відсутнє; 2-потужність вентилятора 1кВт; 3- потужність вентилятора 2кВт; 3-потужність вентилятора 2,5кВт, x - координата, D - діаметр кільцевої деталі.
Графіки вперше демонструють зони можливої роботи при різних рівнях вентиляції, з огляду на те,що максимально припустима температура обмежена рівнями 35°С - 38оС. На підставі цього дослідження встановлено, що: 1) потужність вентиляційного пристрою для забезпечення необхідного рівня швидкості повітря повинна бути 2...2,5 кВт; 2) у процесі вентилювання досить чітко виділяються дві різноспрямоваі зони залежності градієнта температур від потужності вентилятора; 3) підвищення градієнта температур поблизу поверхні деталі може негативно позначитися на комфортності роботи, незважаючи на досягнення середнього припустимого значення. Перепад температур між грудьми і спиною в 5...60С буде викликати дискомфортні відчуття у людини.
Далі досліджувався спільний вплив захисного екрану і вентилювання на температуру повітряної зони оператора-зварювальника. Для його вивчення був поставлений повний двофакторний експеримент. Як два фактори для визначення температури повітря вибрали тиск і температуру охолоджуючої рідини. Було проведено 11 повних вимірів. На основі даних, отриманих при експерименті, побудовані рівняння і поверхні лінійних двомірних регресій для кожної точки виміру. Для кожного з 4 сполучень питомих факторів методом поліноміальної регресії була побудована емпірична залежність для профілю температур. Порівняння теоретичного й експериментального профілю температур показали повний збіг результатів: погрішність не перевищує 10%. Графіки дозволяють вибрати параметри охолоджуючих пристроїв, що вентилюють, при забезпеченні комфортного робочого середовища.
У розділі 4 “Техніко – економічний аналіз використання захисних заходів” встановлена галузь економічної доцільності проведення захисних заходів у залежності від температури повітряної зони робочого місця і часу безупинної роботи. У розділі встановлено нові факти: залежність між продуктивністю оператора – зварювальника і температурою при наявності захисних засобів; залежність між температурою повітряної зони при наявності захисних засобів і енерговитратами на створення комфортного робочого середовища; економічно доцільна температурна галузь застосування захисних засобів.
У розділі 2 було показано, що ефективність діяльності оператора – зварювальника згодом знижується. На порівняно невеликій ділянці часу роботи без перерв залежність продуктивності від часу можна вважати спадаючою експонентою. Виходячи з цього отримані два рівняння регресії:
рівняння регресії для залежності коефіцієнту при експоненти (коефіцієнту інтенсивності зниження продуктивності) від температури
, (7)
рівняння регресії для абсолютного коефіцієнту зниження продуктивності від температури
, (8)
з коефіцієнтами кореляції відповідно 0,997 і 0,995, де to – мінімальна температура дослідів (у нашому випадку 18°С) , tm – максимальна температура дослідів (у нашому випадку 32°С).
Як уже вказувалося, в умовах високих температур зварювальник не може працювати занадто довго, і йому просто необхідні перерви, початок і тривалість яких, на жаль, багато в чому суб’єктивні і можуть бути визначені як середні статистичні значення. Позначимо через g(t) - час роботи до необхідної перерви, g1(t) - час відпочинку для повного відновлення працездатності. На підставі даних експерименту з розділу 2 отримані функціїї безперервної роботи і часу перерв у залежності від температури
, (9)
. (10)
З урахуванням цих формул отримані залежності очікуваної повної і питомої продуктивності від температури. Приблизне значення функції питомої продуктивності, отримане засобами сплайнової апроксимації, має видляд:
. (11)
Природно, що поліпшення умов праці вимагають додаткових витрат енергії й інших
ресурсів. З одного боку, зменшення температури спряє підвищенню продуктивності праці, з іншого боку, витрати енергії приблизно пропорційні необхідному зменшенню температури. У зв’язку з цим досліджено співвідношення між вартістю енергоносіїв і вартістю зробленої продукції. Установлено, що для великих значень відношення вартості енергії до вартості зробленої продукції максимум різниці зрушується у бік підвищених температур. Можливо при цьому виникне ситуація, коли підтримка комфортних умов роботи стане недоцільним через високі витрати. Екстремум різниці показників при співвідношенні 1:3 припадає на 30°С, а для співвідношення 1:5 – на 33°С, що ставить під сумнів взагалі доцільність створення захисних засобів. Відзначимо, що в останньому випадку при реалізації найбільш комфортних умов роботи СЛТС функціонує не ефективно.
Для визначення області ефективності застосування захисних засобів побудована залежність температури повітряної зони на робочому місці від коефіцієнтів відносин (рис .5). Графік свідчить, що для коефіцієнтів, значення яких не перевищує 2, всі описані методи будуть раціональними, причому витрати на охолодження можуть визначатися або температурою, при якій досягається найбільша питома продуктивність, або температурою найбільшого комфорту оператора. При більш високих коефіцієнтах ми виходимо за межі економічної доцільності розміщення захисних засобів.
Рис.5. Температура, що підтримується захисними засобами при різних співвідношеннях між вартістю енергії і вартістю зробленої продукції
У розділі 5 “Практичні результати” описаний характер впровадження результатів дисертаційних досліджень в ВАТ “Турбоатом”, НПО “Електроважмаш” і в навчальний процес. В ВАТ “Турбоатом”: за рахунок правильної організації робочого місця на 4,8 – 5,8 % підвищилася продуктивність роботи, що дозволило звільнити працівників для виконання інших робіт; за рахунок поліпшення комфортності роботи на робочому місці підвищилася якість виконання зварювальних операцій, що дозволило на 3,2 – 3,5 % знизити витрати на виправлення дефектів; на 12% скоротився час підготовки документації для виконання виробничих процесів зварювання. Економічний ефект від впровадження результатів роботи з цього об’єкта склав 15320 грн.
У висновках наведені основні результати дисертаційної роботи.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ
У ході теоретико – експериментального дослідження були розв’язані всі поставлені в роботі задачі, отримані і проаналізовані результати. Загальним результатом роботи є розвиток теорії ефективності і якості систем “людина – техніка – середовище” шляхом її доповнення методами і засобами формування комфортної за температурним режимом робочого середовища операторів - зварювальників, що працюють у замкнутому просторі в умовах високої температури. Конкретні результати роботи є у наступному:
А. Теоретико – методологічні результати:
·
побудована інтенсіональна семантична модель знань про робоче місце й умови роботи зварювальника для відображення на ній зв’язків між властивостями окремих елементів системи “оператор – зварювальник - деталь великих габаритів”;
·
встановлена задача побудови моделі оцінки реальної якості діяльності оператора – зварювальника і розроблено метод її розв’язання;
·
встановлена задача вибору засобів захисту оператора – зварювальника великогабаритних деталей від теплового впливу і розроблено метод її розв’язання;
·
розроблено метод встановлення економічної доцільності проведення захисних заходів у залежності від температури повітряної зони робочого місця і часу безперервної роботи;
·
встановлені наукові факти про вплив температури повітряної зони робочого місця на продуктивність праці, якість роботи і стомлюваність, на час безперервної роботи і час необхідного відпочинку оператора – зварювальника нагрітих великогабаритних деталей;
Б. Інструментальні результати:
·
розроблено нові засоби (алгоритми, розрахункові процедури, технології експериментів) розв’язання задач формування комфортної температури робочого середовища оператора при впливі високої температури;
·
розроблено модель визначення раціональної тривалості безупинної роботи і відпочинку оператора – зварювальника великогабаритних деталей;
·
побудовано моделі розподілу температури повітря в робочій зоні зварювальника при відсутності вентиляції і при наявності примусової вентиляції робочого місця, необхідні для вибору параметрів робочого місця.
В. Експериментальні і прикладні результати:
·
отримано емпіричні поверхні спільного розподілу показників продуктивності і якості роботи, продуктивності і стомлюваності, якості роботи і стомлюваності для нормальної (18°С), середньої (25°С) і високої (32°С) температур і для трьох періодів робочого дня: ранок, день, вечір;
·
на підставі вищевказаних розподілів сформований емпіричний розподіл сконструйованого на основі диз’юнктивної стратегії комплексного показника якості діяльності для різних температур повітряної зони робочого місця;
·
встановлені види залежностей зниження продуктивності, часу безупинної роботи без втрати продуктивності, часу відпочинку для повного відновлення працездатності, питомої продуктивності оператора – зварювальника від температури повітряної зони;
·
встановлено граничну температуру, при якій оператор – зварювальник не може відновити свою працездатність протягом робочого дня;
·
розроблено експериментальну установку і план повного двофакторного експерименту по визначенню раціональних параметрів вентилювання: тиску і температури рідини, що прохолоджує повітря для вентилювання;
·
на практиці перевірена конструктивність ідей та інженерна придатність розроблених методів і засобів формування комфортних умов робочого середовища оператора – зварювальника нагрітих великогабаритних деталей;
·
вирішено задачі ергономічного проектування комфортної за температурою робочого середовища оператора – зварювальника для машинобудівних заводів;
·
здійснено впровадження основних положень задачі ергономічного проектування комфортного робітничого середовища оператора – зварювальника нагрітих великогабаритних деталей у навчальний процес вузу і технікуму.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Іванов В.Г., Ізотова К.О. Створення захисних екранів в процесі зварювання деталей великих габаритів. // Науковий вісник будівництва. №14, Харків:- 2001-С.150-155.
2. Іванов В.Г., Ізотова К.О. Методи вентиляції робочого місця у процесі зварювання товстостінних деталей. // Вестник националтного технического университета “ХПИ” №15. Харьков: –2001- С.158-162.
3. Иванов В.Г., Изотова Е.А. Прогнозирование производительности при сварке в условиях воздействия высоких температур. //Вестник национального технического университета “ХПИ” № 14. Харьков:–2001, -С.187-192.
4. Ізотова К.О. Визначення періодов праці і відпочинку при зварювальних роботах в умовах дії високих температур. //Коммунальное хозяйство городов. №30, - Киев:Техника. –2001-.С.271-275.
5. . Изотова Е.А. Эргономическое обеспечение деятельности сварщика в условиях действия высокой температуры.// Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Сборник научных трудов. Вып.18. –Харьков: ХНАДУ.-2002. –С.50-60.
6. Изотова Е.А., Секунда И.В. Влияние факторов окружающей среды на успеваемость. // Актуальні проблеми інженерної підготовки спеціалістів у вищих навчальних закладах інженерно-педагогічного профілю. Українська інженерно-педагогічна академія. Харків.-2001- С.108-110.
7.Ізотова К.О.Ергономічні проблеми проектування робочого місця при зварюванні деталей великих габаритів. //Современные проблемы сварки и родственных технологий. -Тезисы докладов международной научно – методической конференции, Мариуполь: -2001. – С.94-95.
8. Изотова Е.А. Методы формирования рабочей среды при сваривании крупногабаритных деталей.// Тези доповідей науково-методичної конференції “Безпека життєдіяльності”. –Харків: - Національний технічний університет “ХПІ”.-2002-С.39-42.
АНОТАЦІЯ
Ізотова К.О. Формування робочого середовища оператора – зварювальника великогабаритних деталей при дії високих температур. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.04. – ергономіка. - Харківський національний автомобільно - дорожній університет, Харків, 2003.
Дисертація присвячена розробці методів і засобів формування комфортного за температурним режимом робочого середовища оператора – зварювальника великогабаритних кільцевих деталей, що нагріваються через технологічні умови до високої температури. Розроблено метод побудови моделі оцінки реальної якості діяльності оператора – зварювальника. Для його реалізації проведено експерименти, що дозволили сконструювати комплексний показник якості діяльності і модель для визначення раціональної тривалості беззупинної роботи і відпочинку оператора – зварювальника. Розроблено моделі розподілу температури повітря в робочій зоні зварювальника за умови відсутності охолодження, за умови розташування охолоджувальних трубопроводів по висоті робочої зони зварювальника і при примусовій вентиляції робочого місця, і на основі отриманих результатів обрані засоби захисту оператора – зварювальника від теплового впливу. Встановлено галузь економічної доцільності проведення охолоджувальних захисних заходів.
Ключові слова: система “людина – техніка – середовище”, оператор - зварювальник, температура, тепловий вплив, якість діяльності, продуктивність, стомлюваність, робоче місце, розподіл температури, захисні екрани, вентилювання, економічна доцільність.
SUMMARY
Izotova K.A. Creation of an actuation medium of the operator - welder of large-sized details at operation of high temperatures. - Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.01.04 - Ergonomics. - Kharkov National Automobile -Highway University, Kharkov, 2003.
The thesis is devoted to development of methods and resources of creation comfortable on temperature of an actuation medium of the operator - welder of large-sized ring details heated because of technological reasons to high temperature. The method of build-up of model of an estimation of substantial quality of activity of the operator - welder designed. For its implementation the experiments which have permitted to construct a complex metric of quality of activity and model for definition of a rational duration of continuous operation and rest of the operator - of the welder are carried out. The models of allocation of temperature of air in a working area of the welder for a condition of absence of cooling, for a condition of layout of frigorific pipelines on height of a working area of the welder designed and at a forced ventilation of a workstation, and on their basis the resources of protection of the operator - welder from thermal effect are selected. The area of an economic feasibility of carrying out of frigorific protective measures is installed.
Keywords: the system “ the man - engineering - environment ”, operator - welder, temperature, thermal effect, quality of activity, productivity, fatigue, workstation, allocation of temperature, filters, venting, economic feasibility.
АННОТАЦИЯ
Изотова Е.А. Формирование рабочей среды оператора – сварщика крупногабаритных деталей при действии высоких температур. - Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.01.04 – Эргономика. - Харьковский национальный
