Дмитриев, Михаил Сергеевич. Повышение безопасности и улучшение условий труда оператора в транспортно-технологическом процессе сельскохозяйственного производства

brief description

Дмитриев, Михаил Сергеевич. Повышение безопасности и улучшение условий труда оператора в транспортно-технологическом процессе сельскохозяйственного производства : диссертация ... доктора технических наук : 05.26.01 / Дмитриев Михаил Сергеевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. аграр. ун-т].- Челябинск, 2012.- 340 с.: ил. РГБ ОД, 71 13-5/342

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ»
05201350258
ДМИТРИЕВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ
ТРУДА ОПЕРАТОРА В ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ
ПРОЦЕССЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
05.26.01 - ОХРАНА ТРУДА (отрасли АПК)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант
Заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Ю.Г. Горшков
Челябинск - 2012
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Анализ травматизма в агропромышленном комплексе РФ 13
1.2. Влияние «человека-оператора» как элемента системы
«оператор - машина - среда» на безопасность ее функционирования 17
1.3. Влияние «машины» как элемента системы «оператор - машина - среда» на безопасность и эффективность ее
функционирования 22
1.4. Анализ влияния производственной среды на условия труда и
безопасность функционирования системы «оператор - машина - среда» 29
1.5. Существующие методы и методики оценки безопасности системы
«оператор - машина - среда» 35
1.6. Выводы и задачи исследования 40
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 43
2.1. Обоснование безопасности элемента «машина» 43
2.1.1. Обоснование обобщенного показателя
приспособленности сельскохозяйственной техники к выполнению технологических регулировок 43
2.1.2. Оценка уровня безопасности мобильных технологических и
транспортных машин сельскохозяйственного назначения 46
2.2. Обоснование безопасности элемента «среда» 52
2.3. Обоснование показателя риска системы «оператор - машина -
среда» при выполнении транспортно-технологических процессов в сельскохозяйственном производстве 56
3. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ «ОПЕРАТОР - МАШИНА - СРЕДА» 64
3.1. Обоснование и разработка устройств для улучшения
динамических качеств мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения 66
3.1.1. Изучение свойств несущих поверхностей с малой и высокой
несущей способностью 69
3.1.2. Обоснование и разработка механизма автоматической
блокировки простого шестеренчатого дифференциала 76
3.1.3. Автоматические устройства для разбрасывания сыпучих
материалов под ведущие колеса мобильных машин 90
3.1.4. Обоснование и разработка быстросъемного тракового
приспособления для повышения проходимости мобильных колесных машин 98
3.1.5. Автоматическое устройство для предотвращения
гидроскольжения быстроходных колесных машин 109
3.1.6. Автоматическое устройство для поддержания норм давления
воздуха в пневматических шинах 119
3.2. Обоснование и разработка автоматической системы тушения
возгораний мобильных машин сельскохозяйственного назначения 126
3.3. Обоснование и разработка технических средств для обеспечения
нормальных параметров производственной среды в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин 135
3.3.1. Автоматическое устройство для подогрева пола кабины
мобильной сельскохозяйственной машины 136
3.3.2. Обоснование и разработка устройств для поддержания нормальных параметров воздушной среды в кабинах мобильных
сельскохозяйственных машин 145
4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 161
4.1. Методика и результаты исследования приспособленности сельскохозяйственных машин к выполнению технологических регулировок 161
4.1.1. Методика и результаты отбора и определения количества
экспертов 164
4.1.2. Методика и результаты экспертных оценок 167
4.1.3. Методика и результаты обработки данных экспертной оценки.... 175
4.1.4. Методика проведения хронометража выполнения технологических регулировок и результаты оценки их трудоемкости.. 178
4.1.5. Методика исследования факторов условий уборки и результаты
оценки частоты выполнения технологических регулировок ЗУК 183
4.1.6. Результаты определения обобщенного показателя приспособленности зерноуборочных комбайнов к выполнению
технологических регулировок 189
4.2. Методика и результаты исследования характеристик технических средств для повышения безопасности функционирования системы «оператор - машина - среда» 198
4.2.1. Методика и результаты испытаний устройств для улучшения динамических качеств мобильных колесных машин
сельскохозяйственного назначения 198
4.2.2. Результаты определения влияния устройств для улучшения
динамических качеств мобильных колесных машин на величину показателя риска системы «О-М-С» 228
4.2.3. Методика и результаты проведения испытаний автоматической
системы пожаротушения 229
4.2.4. Методика и результаты испытаний технических средств для
поддержания нормальных параметров производственной среды в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин 230
4.2.4.1. Методика и результаты испытаний автоматического устройства для подогрева пола кабины мобильной
сельскохозяйственной машины 230
4.2.4.2. Методика и результаты испытаний технических средств для поддержания нормальных параметров воздушной среды в кабинах
мобильных сельскохозяйственных машин 231
5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 239
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 251
ЛИТЕРАТУРА .т л 77 254
ПРИЛОЖЕНИЯ 285
Актуальность исследования. Агропромышленное производство Рос-сийской Федерации является важнейшей структурной составляющей народ-ного хозяйства. С точки зрения безопасности труда сельское хозяйство далеко от совершенства, так как травматизм и заболеваемость работников остаются весьма высокими.
Согласно имеющимся статистическим данным показатели травматиз-ма в агропромышленном производстве почти в 1,5 раза выше, чем в целом по народному хозяйству РФ. При этом отмечается, что наибольший удельный вес в сельском хозяйстве занимают несчастные случаи, происходящие при осуществлении транспортно-технологических процессов.
Большую часть сельскохозяйственных операций (обработка почвы, посев, уборка урожая и др.) выполняют с помощью мобильных колесных ма-шин (тракторов, зерно- и кормоуборочных комбайнов, грузовых автомобилей и т. д.). Результаты статистических исследований позволяют судить о том, что показатели травматизма и профзаболеваемости среди операторов мобильных сельскохозяйственных машин в три раза выше, чем в целом по отрасли.
Главными причинами травматизма при управлении мобильными сель¬скохозяйственными машинами, их техническом обслуживании и ремонте яв¬ляются: недостаточная квалификация операторов, неудовлетворительное тех¬ническое состояние и конструктивные недостатки машин, а также низкий уровень обеспечения нормальных параметров производственной среды. Вы¬шесказанное свидетельствует о том, что цель повышения безопасности транспортно-технологических процессов в АПК не может быть достигнута без осуществления исследования и совершенствования системы «оператор-машина-среда» (О-М-С).
Характеристики «оператора» (как элемента системы «О-М-С») оказы¬вают существенное влияние на безопасность протекания транспортно-технологического процесса сельскохозяйственного производства. В частно-
сти, отмечается, что квалификация, возраст, физическое и психологическое состояние оператора играют роль основополагающих факторов, обуславли-вающих процесс развития его утомления. Утомление, в свою очередь, являет-ся одной из главных причин ошибок операторов при продолжительном управлении сельскохозяйственной техникой. Последние могут быть непо-средственной причиной дорожно-транспортных происшествий или неблаго-приятным условием, затрудняющим действия оператора в аварийных ситуа-циях, что в свою очередь приводит к его травмированию или гибели.
В различных исследованиях констатируется тот факт, что степень со¬вершенства конструкции «машины» и ее приспособленность к физиологиче¬ским возможностям «оператора» оказывают значительное влияние на без¬опасность функционирования системы «О-М-С». Однако, несмотря на это об¬стоятельство, большинство современной отечественной мобильной сельско¬хозяйственной техники недостаточно приспособлено к проведению техниче¬ского обслуживания, ремонта и выполнению технологической настройки. При этом существующие на сегодняшний день методы оценки приспособлен¬ности сельскохозяйственных машин не позволяют получить достаточно объ¬ективную количественную оценку этого фактора.
Кроме того, в настоящее время в организациях АПК России наиболь-ший удельный вес занимают устаревшие колесные мобильные машины, кон-струкция которых не позволяет в достаточной степени ограничить или избе-жать возникновения ряда неблагоприятных явлений, связанных с их недоста¬точно высокими тягово-сцепными свойствами, буксованием, гидроскольже¬нием, тормозными качествами и др., зачастую служащих причиной возникно¬вения опасных ситуаций. При этом существующие технические средства для улучшения динамики мобильных машин, применяемые в других отраслях, практически не используются в сельском хозяйстве по причине их высокой стоимости, сложности в изготовлении и эксплуатации.
Помимо вышесказанного, следует отметить, что одной из главных причин травмирования и гибели операторов являются возгорания мобильных машин. При этом имеющиеся первичные средства пожаротушения чаще всего оказываются недостаточно эффективными и не всегда позволяют избежать участия работников в процессе ликвидации очага возгорания.
«Среда», являясь элементом системы «О-М-С», также оказывает зна-чительное воздействие на безопасность функционирования данной системы. Так, например, исследованиями установлено, что операторы мобильных ма-шин сельскохозяйственного назначения находятся в дискомфортных услови¬ях микроклимата до 12 % рабочего времени в весенне-осенний период года и до 76 % - в летне-зимний период.
При проведении полевых работ в воздухе рабочих зон присутствует пыль и другие вредности. При этом отмечается, что используемые в сельском хозяйстве средства обеспечения нормальных параметров производственной среды недостаточно эффективны.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что повышение без-опасности и улучшение условий труда операторов при функционировании системы «О-М-С» в транспортно-технологическом процессе сельскохозяй-ственного производства на сегодняшний момент является актуальной про-блемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Цель работы. Повышение безопасности и улучшение условий труда операторов транспортных и технологических сельскохозяйственных машин путем совершенствования элементов системы «оператор - машина - среда».
Объект исследования. Функционирование системы «оператор - маши¬на - среда» в транспортно-технологическом процессе сельскохозяйственного производства.
Предмет исследования. Закономерности влияния элементов системы «оператор - машина - среда» на безопасность ее функционирования.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту. Обос¬нован показатель риска системы «оператор - машина - среда» в транспортно¬технологическом процессе сельскохозяйственного производства, дающий возможность количественно оценить уровень безопасности и условий труда
операторов мобильных машин, отличающийся от существующих тем, что учитывает удельную травмоопасность машины, а также комплексное воздей-ствие на оператора факторов производственной среды.
Предложен и обоснован обобщенный показатель, позволяющий коли-чественно оценить приспособленность сельскохозяйственной техники к вы-полнению технологической настройки и определяемый на основе балльной методики оценки таких параметров, как удобство, доступность, сложность, безопасность, трудоемкость и частота выполнения технологических регули-ровок.
Обоснован и разработан ряд автоматических технических устройств, позволяющих повысить безопасность функционирования системы «оператор - машина - среда» в транспортно-технологическом процессе сельскохозяй-ственного производства за счет улучшения тягово-сцепных и тормозных ка¬честв мобильных машин в различных условиях эксплуатации, осуществления оперативного тушения возгораний на мобильной технике и обеспечения до-пустимых параметров производственной среды на рабочем месте оператора. Они отличаются простотой конструкции и не требуют высокой квалификации при их техническом обслуживании.
Практическая ценность. Результаты исследования могут быть исполь-зованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке и совершенствовании способов и средств повышения безопасно¬сти транспортно-технологических процессов сельскохозяйственного произ¬водства.
Предложенные показатель риска системы «оператор - машина - сре¬да» и обобщенный показатель приспособленности сельскохозяйственной тех¬ники к выполнению технологической настройки могут использоваться в про¬цессе испытания, эксплуатации, а также проектирования машин для получе¬ния достаточно объективной количественной оценки уровня их безопасности. Кроме того, результаты исследования могут быть рекомендованы в качестве материалов для совершенствования соответствующих ГОСТов.
Обоснованные и разработанные автоматические устройства, позволя-ющие снизить вероятность возникновения отрицательных явлений (буксова-ние, гидроскольжение, заносы и др.), связанных с низкими динамическими качествами мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения, могут найти широкое применение в практике организаций АПК России и позволят повысить уровень безопасности операторов указанных машин.
Предложенная автоматическая система пожаротушения на мобильных машинах дает возможность оперативной ликвидации очагов возгорания, что препятствует распространению пожаров и способствует повышению безопас-ности работников АПК.
Обоснованные технические средства обеспечения нормальных уров-ней параметров производственной среды (устройства для поддержания нор-мального температурного режима, снижения запыленности) позволяют сни-зить риск профзаболеваний и травм, связанных с нарушением функциональ-ного состояния операторов.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования рекомен¬дованы к внедрению Министерством сельского хозяйства Челябинской обла¬сти (протокол заседания НТС, г. Челябинск, 2010 г.). Метод комплексной оценки приспособленности сельскохозяйственной техники к выполнению тех¬нологической настройки одобрен и внедрен во Всероссийском научно¬исследовательском институте охраны труда в сельском хозяйстве (г. Орел, 2003 г.), а также в АОЗТ «Чесменское» (Челябинская обл., с. Чесма). В данной организации также внедрены усовершенствованные механизмы регулирования рабочих органов зерноуборочных комбайнов. Автоматическое устройство для тушения пожаров на особо опасных участках производства внедрено в ОАО «Челябинский механический завод» (г. Челябинск). В ОАО «Челябинский ме¬ханический завод» (г. Челябинск) также внедрено устройство для разбрасыва¬ния сыпучих материалов под ведущие колеса транспортного средства. Кроме того, указанное устройство используется в ГУППРСД (Челябинская обл., с. Октябрьское) и ООО «Энергия ЧТЗ» (г. Челябинск). В данных организациях
ю
также внедрено быстросъемное траковое приспособление для повышения про¬ходимости мобильных колесных машин. Устройства для разбрасывания сыпу¬чих материалов под ведущие колеса транспортного средства также использу¬ются в ООО ПКФ «Механик - гарант», ООО «Головное специализированное конструкторское бюро ЧТЗ», ООО «Транспорт ЧТЗ», ООО «Рифейэнергомон- таж». В ООО «Головное специализированное конструкторское бюро ЧТЗ» и ООО «Рифейэнергомонтаж» внедрено автоматическое устройство для подо¬грева пола кабины. Автоматический механизм блокировки простого шестерен¬чатого дифференциала и комбинированное устройство для поддержания нор¬мальных параметров воздушной среды в кабинах мобильных машин внедрены в ТОО «Восток - ТБК» (Республика Казахстан), ООО «Элком-Инвест», ООО «ТрансИнвест» (г. Челябинск). В ООО «Доминанта» и ООО «Капиталстрой» (г. Челябинск) используется устройство для удаления пыли и грязи из кабин технологических и транспортных машин (система «вентиляция-пылесос»). В ООО «Капиталстрой» также внедрено автоматическое устройство для поддер¬жания норм давления в пнематических шинах. Вышеизложенное подтвержда¬ется актами внедрения (2003...2010 гг.).
Материалы диссертации используются в учебном процессе Челябин-ской государственной агроинженерной академии (ЧГАА), Южноуральского государственного университета (ЮУрГУ), Костанайского инженерно-экономического университета (КИнЭУ), Костанайского государственного университета (КГУ) и включены в учебное пособие: Безопасность жизнедея-тельности (Безопасность труда в сельскохозяйственном производстве). - Че-лябинск, 2008 (с грифом «Рекомендовано УМО вузов РФ по агроинженерно-му образованию»).
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международных научно-технических конференци-ях ЧГАА (ЧГАУ) (г. Челябинск, 2001...2010 гг.), ЮУрГУ (г. Челябинск, 2004...2009 гг.), всероссийских научно-технических конференциях СПбГАУ (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), МАДИ (г. Челябинск, 2005, 2006), на научно-технических конференциях КИнЭУ (г. Костанай, 2004...2007 гг.). Отдельные положения работы отмечены грантом Министерства образования и Прави-тельства Челябинской области (2002, 2003 гг.).
Отдельные положения работы отмечены грантом Министерства обра-зования и Правительства Челябинской области (2002, 2003 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 57 печатных работах, в том числе 20 работ опубликованы в центральных изда-ниях; получено 7 патентов на полезную модель и 3 - на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 340 страницах машинописного текста и включает 33 таблицы, 118 рисунков. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографии (314 наименований) и 45 приложений.

bibliography

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Согласно имеющимся статистическим данным показатели травма¬тизма в агропромышленном комплексе почти в 1,5 раза выше, чем в целом по народному хозяйству России, что в значительной степени снижает эффектив¬ность сельскохозяйственного производства. При этом отмечается, что наибольший удельный вес занимают несчастные случаи, происходящие при осуществлении транспортно-технологических процессов. Среди профессий наиболее часто гибнут механизаторы (трактористы, машинисты самоходных машин, комбайнеры и др.) - 33,5 %, водители автомобилей - 15,3 %, а также слесари по ремонту и техническому обслуживанию указанных машин - 5,3 %.
2. Обоснован показатель риска системы «О-М-С», позволяющий осу¬ществлять сравнительную оценку уровня безопасности труда на мобильной сельскохозяйственной технике различной конструкции, но одного назначе¬ния. Данный показатель изменяется в пределах 0 < R < 1 Он учитывает уро¬вень квалификации оператора, выраженный его классом. Повышение квали¬фикации оператора с 3-го класса до 1-го уменьшает риск R (вероятность воз¬никновения несчастного случая) примерно на 33 %.
3. Для определения характеристик элемента «машина» обоснован ко¬эффициент удельной травмоопасности. Уменьшение данного коэффициента на 50 % снижает значение показателя риска R примерно на 0,17.
4. Увеличение показателя времени вредного и потенциально опасного пребывания оператора на рабочем месте (Тв.о), оценивающего состояние элемента «среда», на 2 часа приводит к повышению значения показателя рис¬ка R более чем на 0,08.
5. Предложенная методика количественной оценки приспособленно¬сти мобильных сельскохозяйственных машин к выполнению технологических регулировок может быть использована при проведении испытаний с целью выявления наименее приспособленных механизмов регулирования. Расчет обобщенного показателя приспособленности (Про) показал, что наименее приспособленными рабочими органами ЗУК являются шнек жатки (Про = 0,318), молотильный аппарат (Про = 0,473), удлинитель верхнего решета (Про = 0,457), а также механизмы регулирования высоты среза и подбора.
6. Разработанные рекомендации по усовершенствованию механизмов регулирования высоты среза, подбора (патент РФ на полезную модель № 40130, патент РФ на полезную модель № 40131) и положения шнека жатки по высоте, позволяют повысить показатель приспособленности (Пр) с 0,419 до 0,967 (высота среза), с 0,572 до 0,911 (высота подбора) и с 0,269 до 0,7б4 (шнек жатки).
7. Разработанные устройства для улучшения динамических качеств мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения (патент РФ на полезную модель № 49502, патент РФ на полезную модель № 49491, па¬тент РФ на полезную модель № 94917, патент РФ на изобретение № 2289514, патент РФ на изобретение № 2332308) позволяют уменьшить тяжесть и напряженность труда операторов, снизить количество ДТП (в среднем на 20 %) и тяжесть их последствий. Применение указанных устройств снижает бук¬сование на 20...30 % и уменьшает значение показателя риска системы «О-М- С» в среднем на 12 %.
8. Предложенная автоматическя система пожаротушения (патент РФ на полезную модель №51343) обеспечивает сохранность техники за счет зна¬чительного сокращения времени тушения очага возгорания. При этом вероят¬ности развития пожара и получения травм при его тушении снижаются на
80.. .85 %, что в целом уменьшает значение показателя риска системы «О-М- С» в среднем примерно на 8 %.
9. Технические средства для обеспечения нормальных параметров производственной среды (патент РФ на полезную модель № 89028, патент РФ на изобретение № 2381914) позволяют снизить профзаболеваемость работни¬ков, уменьшить вероятность возникновения опасных ситуаций в ходе управ¬ления сельскохозяйственной техникой. Их применение обеспечивает умень¬шение значения показателя времени вредного и потенциально опасного пре¬бывания на рабочем месте (Тв.о) в среднем более, чем на 10 %.
10. Расчет экономической эффективности результатов исследований показал, что годовой экономический эффект составляет порядка 4600... 15500 рублей на одну машину в зависимости от вида внедряемого инженерно¬технического мероприятия для повышения безопасности и улучшения усло¬вий труда операторов.
11. Увеличение тягово-сцепных и тормозных качеств колесных машин за счет внедрения разработанных механизмов и устройств дает возможность значительно снизить число и тяжесть ДТП. Общий ущерб от дорожно¬транспортных происшествий с пострадавшими (на примере Челябинской об¬ласти за 4 месяца 2009 года) составил около 447260 тыс. руб. Величина эко¬номии за этот период от снижения ДТП при использовании на мобильных ко¬лесных машинах предлагаемых устройств составит около 89452 тыс. руб.