ВВЕДЕНИЕ
' Актуальность темы. Развитие агропромышленного комплекса Российской
Федерации предусматривает устойчивый рост сельскохозяйственного производства за счет повышения производительности и безопасности труда в предприятиях всех форм собственности, которые непосредственно зависят от ускорения научно-технического прогресса и повышения уровня безопасности основных технологических процессов в Агропромышленном Комплексе Рос-
, сии (АПК).
Сам процесс трудовой деятельности механизатора вообще и, с позиции
щ
безопасности его труда, можно рассматривать как систему «оператор-машина-среда», то есть как сложную кибернетическую систему со многими прямыми и обратными связями.
Повышение уровня безопасности технологических процессов в АПК яв-
* . ляется сложной проблемой, так как ее решение находится на стыке техниче-
ских, экономических, биологических, психологических и рядя других наук. Проблема обеспечения безопасности технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, обуславливающая совместное функционирование биологического объекта - человека и технического объекта -машины в определенных условиях производственной среды требует применения системного подхода в ее исследовании.
Особенностью сельскохозяйственного производства является то, что оно , осуществляется в условиях постоянно изменяющихся параметров производ-
* ственной среды, которая является продуктом природных процессов и производственной деятельности человека. Подавляющее большинство из сельскохозяйственных технологических машин являются мобильными, снабженными пневматическими колесными движителями. Использование этих машин
^ v происходит в различных условиях: на поверхности с малой несущей способ-
' ностью (поле, пахота, заболоченная луговина, размытые грунтовые и поле-
¦ t
** вые дороги, глубокий снег и др.) и с высокой несущей способностью (авто-
мобильные асфальтобетонные дороги, дороги с щебеночным и гравийным
7
покрытием, сухие укатанные грунтовые дороги и др.). При этом одни и те же машины эксплуатируются как на опорных поверхностях с малой несущей способностью, так и на твердых дорогах.
Соотношение поверхностей качения для колесных машин различно. Так, до 95% технологических машин (зерноуборочные и кормоуборочные комбайны и др.) работают в условиях поля и только 5% в условиях дорог с твердым покрытием. Транспортные машины, используемые на отвозке выращенного урожая и перевозке других грузов, на поверхностях с малой несущей способностью распределяются следующим образом: тракторы - 60...65%, автомобили — 35...40%; на опорных поверхностях с высокой несущей способностью: тракторы 40...35%, автомобили - до 60%. Мелиоративные и до-рожно-строительные машины вообще работают в особо тяжелых дорожных условиях.
В то же время, в силу физиологических и экономических причин, воз-можности адаптации человека и машины к естественным колебаниям параметров производственной среды весьма ограничены. Возникающие в связи с этим рассогласования между отдельными элементами системы «оператор-машина-среда» приводит к резкому возрастанию числа технических и технологических отказов, которые снижают технологическую безопасность процесса сельскохозяйственного производства.
Известно также, что центральное место в технологической безопасности системы «оператор-машина-среда» занимает подсистема «оператор», то есть конкретный исполнитель, участвующий в процессе управления машиной в конкретной производственной среде. Это подтверждается статистическими данными о травматизме на производстве, которые свидетельствуют о том, что около 10% всех несчастных случаев происходят по причине ошибочных действий оператора при выполнении операций технологического процесса.
Низкий уровень безопасности технологического процесса в АПК усу- губляется еще и тем, что средства безопасности, устанавливаемые на сель-скохозяйственные машинах, разрабатываются без учета биологически предопределенной вероятности принятия оператором ошибочных действий. Кроме
8
того, отсутствует возможность отключения указанных средств безопасности в случае увеличения трудоемкости обслуживания системы или узла.
Следует отметить, что в отрасли сельского хозяйства удельный вес травматизма с летальным исходом среди операторов мобильных сельскохозяйственных машин составляет около 13% от всех погибших на производстве. Одной из причин такого положения является недостаточная изученность факторов опасности при выполнении технологических процессов (предпосевная обработка почвы, уборка урожая, транспортировка грузов и пассажиров, и др.).
Известно, что безопасность системы «оператор-машина-среда» зависит от факторов опасности, заложенных в каждой из ее подсистем, то есть операторе, машине, среде. Каждая из подсистем охватывает большое количество факторов опасности, которые в определенной мере отображены в ГОСТах и ОСТах системы стандартов безопасности труда. Однако, до настоящего времени алгоритм поиска факторов опасности, вызываемых функционированием системы «оператор-машина-среда» при выполнении технологического процесса весьма мало изучен.
Уровень безопасности технологических процессов в АПК формируется многими ведомствами страны, однако, целостной научной концепции данной проблемы не разработано, а системные исследования этой проблемы требуют развития, что в итоге приводит к огромному социальному и материальному ущербу от травматизма и профессиональной заболеваемости. Это связано с тем, что до настоящего времени недостаточно полно разработаны методики интегральных количественных оценок безопасности мобильных сельскохозяйственных машин на стадии их разработки, испытания и эксплуатации. Это в полной мере относится и к операторам мобильных машин на стадии их начальной профессиональной подготовки в государственных образовательных учреждения, а также к производственной среде в реальных условиях сельскохозяйственного производства.
Отсюда следует, что исследование и совершенствование методов и средств повышения технологической безопасности системы «оператор-
9
машина-среда», обеспечивающих безопасность технологических процессов в АПК, является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках целевой комплексной программы ГКНТ ОЦ. 048 и научно-технической программы ЧГАУ по теме «Разработка и освоение прогрессивных методов организации, технологических процессов, приборов и оборудования, обеспечивающих повышение уровня использования тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин».
Цель работы. Улучшение условий и охраны труда операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения.
Объект исследования. Мобильные колесные машины сельскохозяйственного назначения.
Предмет исследования. Установление закономерностей влияния элементов системы «оператор-машина-среда» на технологическую безопасность оператора мобильной колесной машины сельскохозяйственного назначения.
Методика исследования. В качестве основных методик применялись: логика научных исследований, элементы методов инженерно-психологических и эргономических исследований, методы оптимизации, математического и физического моделирования, хронометражные работы и т.д. В результате были разработаны частные методики лабораторных исследований с использованием планирования эксперимента, производственных испытаний машин, устройств и приспособлений. Все расчеты выполнены с использованием ЭВМ.
Научная новизна. Теоретически обоснован критерий технологической безопасности колесных машин сельскохозяйственного назначения, позволяющий определять и прогнозировать технологическую безопасность мобильной колесной машины при выполнении операций технологического процесса. Теоретически обоснован метод, повышающий проходимость колесной машины, основанный на автоматическом подтормаживании буксующего колеса. Впервые выявлено влияние буксования мобильной колесной
10
машины на утомляемость оператора. Теоретически обоснована зависимость критической скорости начала гидроскольжения мобильной колесной машины от параметров пневматического движителя, толщины слоя жидкости и ее плотности. Даны теоретические предпосылки, позволяющие оценивать сцепные качества пневматических колесных движителей с поверхностью качения при различных скоростях движения автомобилей.
Практическая значимость. Разработана методика определения критерия технологической безопасности труда операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения, позволяющая определять критерий технологической безопасности труда операторов при работе на колесных машинах, имеющих разное техническое состояние. Даны результаты экспериментальных исследований по определению коэффициентов буксования автомобиля ЗИЛ-130 на различных несущих поверхностях, а так же результаты экспериментальных данных, определяющие влияние буксования мобильной колесной машины на утомляемость операторов. Разработаны инженерно-технические устройства для автоматического подтормаживания буксующего колеса, позволяющие уменьшить или исключить буксование колесной машины. Обоснованы и предложены инженерные решения: сигнализатор уровня тормозной жидкости; сигнализатор технического состояния тормозных колодок; устройство для снижения эффекта гидроскольжения автомобилей, направленные на повышение производительности и безопасности труда операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения.
Реализация результатов исследования. Полученные автором результаты используются в процессе изучения студентами Костанайского инженерно-экономического университета и Костанайского государственного университета им. А. Байтурсынова дисциплин «Безопасность жизнедеятельности», «Надежность сельскохозяйственной техники», «Основы конструирования машин», а также студентами Челябинского государственного агроинженер-ного университета при изучении дисциплины «Безопасность дорожного дви жения». Разработанные инженерные решения: автоматическое подтормажи-вание буксующего колеса, сигнализатор уровня тормозной жидкости, сигна-
11
лизатор технического состояния тормозных колодок внедрены на предприятиях «Жол-Болсын» г.Костаная, ТОО «Достык-Тубек» Костанайской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета и Костанайского инженерно-экономического университета (1999-2003), на пятой международной научно-техническая конференции в КазНТУ, г. Алматы 2002г, Оренбургском государственном аграрном университете 2002-2003г.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 научных статьях.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое обоснование критерия технологической безопасности колесных машин сельскохозяйственного назначения.
2. Методика и результаты экспериментальных исследований влияния буксования мобильной колесной машины сельскохозяйственного назначения на утомляемость оператора.
3. Теоретически обоснованные и разработанные инженерно-технические решения улучшения условий труда операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения (устройства автоматического подторма-живания буксующего колеса, устройство снижающее эффект гидроскольжения, сигнализаторы уровня тормозной жидкости и технического состояния тормозных колодок).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 113 наименований, и содержит 185 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка, 4 таблицы, 13 приложений.
12 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Социально-экономические аспекты повышения технологической безопасности мобильных колесных машин сельскохозяйственного
назначения в системе (О-М-С)
В настоящее время условия выполнения механизированных работ и использование техники в сельскохозяйственном производстве существенно отличается от дореформенных. Прежде всего, значительно сократилась техническая оснащенность сельхозтоваропроизводителей всех форм собственности. На рис. 1.1 представлен график технической оснащенности Агропромышленного Комплекса России (АПК) базовыми техническими средствами (тракторы, зерно- и кормоуборочные комбайны) за 1985...2001г.г.
1600 1400 4-
1200 -
1000 -
6 800-
600-
400
200 f
0
I
годы
1985 1990 1995 1997 1998 1999 2000 2001
Рис. 1.1. Техническая оснащенность АПК России базовыми техническими средствами:
1- тракторы; 2- зерно - кормоуборочные комбайны
Анализ диаграммы показывает, что, начиная с 1990г. происходит интенсивное снижение числа базовых технических средств (тракторов, зерно- и кормоуборочных комбайнов). Сравнивая количество базовых технических средств АПК России, имеющихся в 1985г. и в 2001г. видно, что снижение произошло в среднем более чем в 2,0 ...2,5 раза, а производство данной техники за последние 5...7 лет снизилось в десятки раз [1]. Такое же наблюдается и с другой мобильной техникой грузовыми автомобилями, мелиоратив-
13
ными машинами, специальными автомобилями, самоходными косилками и
др.
Имеющиеся базовые технические средства значительно изношены: около 70% сельскохозяйственной техники выработали установленные сроки эксплуатации, до 80% тракторов - базовые модели возрастом 15 и более лет. По данным ГОСНИТИ, 60% тракторов и около 45% зерноуборочных комбайнов в хозяйствах использовались более 10 лет [2,3]. Это в полной мере можно отнести и к другой мобильной сельскохозяйственной технике.
Уменьшилась покупательная способность сельхозтоваропроизводителей в приобретении технических средств в следствие диспаритета цен на сельскохозяйственную продукцию и технику. На рис. 1.2 представлена динамика приобретения техники по годам сельхозтоваропроизводителями в Российской Федерации.
200
180 160 140 120 100 80
ео
40 20
о
1985
1990 1995 1997 1998 1999 2000 2001
ПЭДМ
Рис. 1.2. Динамика приобретения сельскохозяйственной техники в Российской Федерации: 1- тракторы; 2 - грузовые автомобили; 3 - зерноуборочные комбайны
Приобретение тракторов в 2001 г. по сравнению с 1985г. сократилось в 15 раз, грузовых автомобилей - в 65, комбайнов зерноуборочных почти в 9 раз.
Основные указанные причины привели к тому, что машинно-тракторный парк сельского хозяйства в настоящее время находится на грани
14
полной выработки технического ресурса. Нагрузка на практически полностью изношенную технику возросла и в 2...3 раза превышает нормативные данные [2].
В сегодняшних условиях нагрузка на оператора мобильных сельскохозяйственных машин резко возросла по объему и интенсивности труда. С одной стороны операторы осваивают новые более сложные технологии и многооперационные технические средства с большим количеством различных рабочих органов, а с другой - продолжают работать на изношенной старой технике. Вследствие этого за последние годы резко повысился травматизм, увеличилось число профессиональных заболеваний и несчастных случаев у операторов при работе на мобильных сельскохозяйственных машинах. Значительно снизились показатели производительности и экономичности машин.
Исследования последних лет подтверждают, что физическое состояние операторов мобильных сельскохозяйственных машин, их адаптация к технологическому процессу и работе технического средства в течение смены жестко связаны с производительностью агрегата, а это в свою очередь зависит от выполняемых технологических регулировок и регулировок по управлению в определенных условиях труда [1].
Анализ литературных источников по данному вопросу показывает, что условия труда, в которых работают операторы по управлению сельскохозяйственной техникой, меняются не только в течение агротехнических сроков, но и даже в течение одной смены [1,4].
По данным исследований [5,6], водитель транспортного средства в течение рабочего дня (7-8 ч.) совершает до 6000 трудовых операций, а в минуту выполняет от 30 до 120 движений.
Экспериментальное исследование рабочей позы операторов на тракторах К-700А, К-701, Т-150К, МТЗ-80, ДТ-75М с одновременной фиксацией частоты пользования органами управления привело к следующим результатам: операторы часто испытывают длительное статическое напряжение, вызван-
15
ное нерациональной рабочей позой с наклоном корпуса до 30° в течение четверти смены; 58 ... 85% операционной загруженности операторов приходится на манипуляцию органами управления. За смену производится 1500...2155 манипуляций ручными и 100... 180 - ножными органами управления, совершается 126...325 наклонов корпуса вперёд до 43° и до 175 поворотов головы. Сила сопротивления органов управления при их переключении значительно превышают допустимые, достигая 30...120Н на рычагах и 100...300Н на педалях. Длительность сосредоточенного наблюдения достигает 60...80% времени смены, что является дополнительным источником нервно-эмоционального напряжения [7].
Выполнение этих действий и операций значительно усложняется при работе операторов на изношенной технике. Это в свою очередь приводит к повышению утомляемости оператора мобильных сельскохозяйственных машин и в целом к снижению производительности и уровня безопасности оператора в технологическом процессе.
Использование влагоэнергосберегающих технологий, затягивание аг-росроков их выполнения создают экстремальные условия работы мобильных агрегатов. В частности, глыбистость после вспашки пересушенной почвы вызывает высокий уровень колебаний, вибраций и буксования техники, что в свою очередь приводит к необходимости выполнения дополнительных операций по управлению техникой и проведению дополнительных технологических регулировок.
Еще одной из причин увеличения нагрузки на оператора мобильных сельскохозяйственных машин при выполнении технологических регулировок является то, что за последние годы уменьшилось количество квалифицированных инженерно-технических кадров, слесарей по ремонту и техническому обслуживанию, токарей и других специалистов по поддержанию техники в работоспособном состоянии [8].
В связи с этим появляются новые требования к эргономичности и безопасности работы операторов при управлении и выполнении технологических
16
регулировок в процессе выполнения сельскохозяйственных операций. Возникает необходимость в обосновании критерия оценки технологической безопасности таких машин. И как следствие возникает вопрос об оснащении мобильных колесных машин специальными сервомеханизмами, системами контроля и автоматизации для снижения уровня утомляемости, повышения работоспособности и безопасности труда оператора в технологическом процессе выполнения сельскохозяйственных операций.
1.2. Состояние безопасности труда операторов в
технологическом процессе работы мобильных колесных машин
сельскохозяйственного назначения в системе «О-М-С»
Основные механизированные работы в сельскохозяйственном производстве выполняются мобильными колесными машинами сельскохозяйственного назначения (тракторы, комбайны, грузовые и легковые автомобили, мелиоративные, поливальные машины и др.). Преимущество колесной техники заключается в ее высокой маневренности и производительности, возможности транспортировки пассажиров и грузов на большие расстояния. Учитывая это, сельскохозяйственное производство снабжено колесными машинами в значительно большей степени, чем мобильными машинами с другими типами движителей. Скоростные возможности колесных машин, их высокая маневренность и, в определенных условиях, несоответствие окружающей среды условиям движения, нарушение правил техники безопасности, отсутствие достаточного навыка в управлении машиной (особенно при выполнении технологического процесса) приводит не только к повышенной утомляемости операторов, но и к их травмированию.
Количество травмированных операторов колесных машин в значительной мере больше, чем вместе взятых операторов другой сельскохозяйственной техники [7].
В процессе производственной деятельности при функционировании системы «оператор-машина-среда» оператору сопутствуют следующие основные источники опасности (схема, рис. 1.3):
17
- мобильные машины сельскохозяйственного назначения (тракторы,
зерноуборочные и кормоуборочные комбайны, грузовые и легковые автомобили, мелиоративные и дорожно-строительные машины и др.);
- среда производственная (микроклимат, состав воздуха, акустический и вибрационный фон и т.д.) и среда окружающая (несущая поверхность - автомобильные дороги, связные, песчаные и заболоченные грунты, пахота, снег, гололед).
Источники опасности в системе «О-М-С» агоопромышленного комплекса
Источники опасности в системе «О-М-С»
Мобильные машины сельскохозяйственного назначения
Окружающая производственная среда
§
з I
N si!
1
I-
Рис. 1.3. Схема основных источников опасности в сельскохозяйственном производстве
Технологические источники опасности в подсистеме «машина» (схема, рис. 1.4) можно подразделить на следующие группы:
- источники опасности, связанные с выполнением сельскохозяйственных операций (предпосевная обработка почвы, уборка урожая, перевозка сельскохозяйственных грузов, заготовка сена и др.);
- источники опасности при выполнении работ по техническому обслуживанию (демонтаж и монтаж шин, регулировочные работы узлов и агрегатов, крепежные работы и др.);
- источники опасности при выполнении операций управления машиной (подвижные и неподвижные объекты, возникшие внештатные ситуации) [9]. |
