Еремина Юлия Викторовна. Разработка и исследование специальной одежды для защиты от воздействия агрессивной акустической среды

brief description

Еремина Юлия Викторовна. Разработка и исследование специальной одежды для защиты от воздействия агрессивной акустической среды: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.19.04 / Еремина Юлия Викторовна;[Место защиты: ФГБОУ ВО Московский государственный университет дизайна и технологии], 2016

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской государственный технический университет»
в г. Шахты Ростовской области ( ИСОиП (филиал) ФГБОУ ВО ДГТУ в г. Шахты Ростовской области)
На правах рукописи
Еремина Юлия Викторовна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОЙ ОДЕЖДЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ АГРЕССИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Специальность 05.19.04- Технология швейных изделий диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
Куренова С.В.
Шахты, 2016 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 Анализ вопроса проектирования шумозащитной одежды 14
1.1 Анализ причин возникновения производственного шума, представляющего опасность для здоровья человека 15
1.2 Медицинский аспект воздействия шума на организм человека 19
1.3 Анализ требований, предъявляемых к проектированию специальной одежды для нефтегазовой промышленности 28
1.4 Ассортимент материалов для проектирования специальной одежды для нефтегазового промышленности 30
1.5 Анализ современных средств индивидуальной защиты человека от агрессивного воздействия шума 32
1.5.1 Анализ средств индивидуальной защиты органов слуха и головы 32
1.5.2 Анализ средств защиты тела и внутренних органов человека от шума 35
1.6 Анализ современных материалов и покрытий с повышенными шумозащитными свойствами 41
1.6.1 Звукопоглощающие и звукоизолирующие материалы 41
1.6.2 Вибропоглощающие (вибродемпфирующие) материалы 43
1.7 Перспективные направления исследований шумозащитных материалов, с учетом воздействия внешних факторов окружающей среды 46
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 52
Глава 2 Экспериментальное исследование шумозащитных свойств материалов и пакетов из них 54
2.1 Описание экспериментальной установки 55
2.2 Исследование шумозащитных свойств материалов 56
2.2.1 Оценка величины снижения шума материалами 59
2.2.2 Исследование влияния ориентации материала по отношению к источнику звука 65
2.2.3 Исследования влияния изменения геометрии поверхности
материалов на величину снижения шума 71
2.3 Исследование влияния состава и порядка компоновки слоев материалов в пакете на величину снижения шума 73
2.3.1 Исследование влияния числа слоев материала на величину снижения шума 74
2.3.2 Исследование влияния порядка компоновки слоев материалов в пакете на величину снижения шума 77
2.3.3 Исследование величины снижения шума пакетами материалов 85
2.4 Разработка и исследование эффективности шумозащитных композиционных материалов 87
2.5 Влияние факторов переменной климатической среды на величину снижения шума 90
2.5.1 Исследование влияния влагосодержания в материалах на величину снижения шума 90
2.5.2 Влияние температуры на величину снижения шума 94
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 96
Глава 3 Математическое моделирование процесса шумозащиты с помощью средств индивидуальной защиты 98
3.1 Организация многофакторного эксперимента 98
3.2 Описание планирования эксперимента для шумозащитного пакета материалов 98
3.3 Построение уравнения квадратичной регрессии, описывающей параметр оптимизации величины снижения шума 112
3.4 Определение параметра оптимизации в области регулируемых входных параметров плана эксперимента 117
3.5 Нахождение максимального значения величины снижения шума 119
3.6 Разработка расчетной программы для выбора рационального пакета
материалов при проектировании комплекта специальной одежды 122
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 126
Глава 4 Разработка конструкции и технологии изготовления шумозащитного комплекта с последующим исследованием в реальных условиях 127
4.1 Разработка конструкции специального шумозащитного комплекта 128
4.1.1 Проектирование шумозащитного комплекта 129
4.1.2 Разработка конструкции шумозащитного жилета 140
4.2 Разработка технологии изготовления шумозащитного комплекта 148
4.3 Исследование свойств разработанного шумозащитного комплекта в реальных условиях 153
4.4 Социально-экономический эффект от использования шумозащитных
комплектов в промышленности 162
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 167
Список сокращений 169
Список литературы 170
Список иллюстрированного материала 189
Приложение А 195
Приложение Б 204
Приложение В 205
Приложение Г 209
Приложение Д 211
Приложение Е 213
Приложение Ж 214
Приложение З 223
Приложение И 226
Приложение К 233
Приложение Л 251
Приложение М 254
Приложение Н 257
ВВЕДЕНИЕ
Фактор акустического шума становится всё более определяющим среди различных экологических факторов в развитых странах. Развитие техники и технологии неизбежно ведет к образованию акустических полей на предприятиях и селитебных территориях. Поэтому проблема защиты от шума и шумового загрязнения остро стоит для всех сфер деятельности человека.
В настоящее время практически во всех отраслях промышленности существуют рабочие места, на которых присутствует производственный шум, уровень которого оказывает негативное влияние на человека и, как следствие, на эффективность производственного процесса. Наиболее неблагоприятное воздействие акустического фактора наблюдается в таких отраслях промышленности, как нефтегазовая, химическая, нефтехимическая, автомобилестроительная, авиакосмическая, деревообрабатывающая, промышленность строительных материалов и строительство, тяжелое машиностроение, черная металлургия, полиграфия и сельское хозяйство, а также на транспорте.
Нефтегазовый комплекс сегодня является базовой отраслью экономики России, удовлетворяет наибольшую часть энергетической потребности России и вносит весомый вклад в энергетический баланс зарубежных стран. В настоящее время ОАО «Газпром» располагает крупнейшей в мире газотранспортной системой (ГТС), успешно работает в рыночных условиях и вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие страны. В настоящее время намечен курс на взаимодействие и сотрудничество России и Китая, вследствие чего «Газпром» и китайская CNPC в 2014 году подписали юридически обязывающее соглашение об основных условиях поставок российского газа в КНР по так называемому восточному маршруту. Г азпром совершил мощный прорыв в восточном направлении. Полным ходом идет формирование Якутского центра газодобычи с гигантскими запасами газа.
Активно строится газопровод «Сила Сибири» - ключевой элемент системы газоснабжения на Востоке России, газовая артерия «восточного» маршрута. С учетом крайне высокой емкости китайского энергетического рынка прорабатывается вопрос поставок газа Группы Газпром в Китай еще по одному маршруту - «западному». Дан старт одному из крупнейших в мире инфраструктурных проектов «Турецкий поток». Соглашение предусматривает строительство двух ниток магистрального трубопровода по дну Черного моря, которые будут введены в эксплуатацию к декабрю 2019 года. Одна из ниток предусмотрена для поставок газа непосредственно на турецкий рынок, другая - для поставок газа транзитом через территорию Турции в европейские страны. Также Газпром продолжает освоение Арктики. На Ямале, будущем флагмане отечественной газовой отрасли, начал работу новый, второй по счету, газовый промысел Бованенковского месторождения - крупнейшего на полуострове. Теперь на Бованенково ежегодно можно добывать 90 миллиардов кубометров газа [1].
В связи с такой стратегией развития на данный момент приоритетными научно-техническими проблемами по представлению газодобывающих предприятий, в частности, ОАО «Газпром» на 2016-2030 г. является обеспечение безопасности деятельности общества. И основным направлением является «разработка технологий, технических средств и организационных мероприятий, направленных на повышение безопасности производственного комплекса». В частности, серьезной проблемой является снижение шума от центробежных компрессорных машин (составная часть газодобывающих объектов производства), такой шум часто превышает допустимые санитарные нормы. Так, в ОАО «Газпром» сотрудниками ООО «ВНИИАГАЗ» разработан и действует ряд стандартов, направленных на решение проблемы повышенного шума [2-4]. Наиболее прогрессивным способом снижения шума является его подавление в источнике возникновения, что может быть эффективно осуществлено, в первую очередь, на стадии проектирования агрегата. Однако снижение шума в источнике является недостаточным при существующих методах проектирования, и, как следствие, уровень воздействия шума на тело человека остается опасным. В связи с этим приобретает актуальность задача индивидуальной защиты персонала, работающего в непосредственной близости к объектам - источникам опасного уровня шума.
Промышленные производственные шумы в ряде случаев настолько сильно влияют на организм, что это сказывается на производительности труда работника и в конечном итоге на его здоровье. Одним из средств защиты организма от вредного воздействия производственного шума является применение в элементах одежды таких материалов, которые способны эффективно ослаблять акустические колебания на пути к телу человека и, соответственно, на пути к внутренним органам человека. В этом случае используют такие средства индивидуальной защиты от шума, как беруши, наушники и шлемы. Однако при высоких уровнях шума опасности подвергаются не только органы слуха и головной мозг, но и внутренние органы тела человека [5]. В этих условиях для комплексной защиты человека наиболее действенным средством является совместное использование существующих средств индивидуальной защиты (СИЗ) и шумозащитного костюма.
Предметно рассмотрены способы и методы проектирования различных видов специальной одежды, в том числе и с определенными заданными функциями, в работах отечественных и зарубежных ученых И.Ю. Бринка, И.В. Черуновой, Е.Я. Сурженко. Проектирование средств индивидуальной защита с дополнительной функцией шумозащиты перспективное, но малоизученное направление, тем не менее некоторые аспекты изучаются и рассматриваются в работах В.Н. Зинкина, С.К. Солдатова, А.Л. Терехова, М.Н. Дробаха, С.В. Куреновой, Е.А. Дрофа, Н.А. Куралесина, Н.И. Иванова.
Цель работы заключается в разработке способа проектирования и изготовления конструкций специальной одежды для защиты от воздействия агрессивной акустической среды в производственных условиях.
Объектом исследования являлся процесс проектирования специальной одежды с повышенным уровнем шумозащиты в системе «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда».
Предмет исследования - комплект специальной одежды для защиты от повышенного уровня шума.
Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
- определение перспективных направлений развития комплексной защиты тела человека от воздействия агрессивной акустической среды;
- определение критерия оценки шумозащитных свойств, как отдельных материалов, так и пакетов из них;
- исследование шумозащитных свойств материалов, обладающих различными физическими и геометрическими характеристиками в переменных условиях климатической среды;
- определение состава пакета материалов, наиболее перспективного для применения при проектировании шумозащитного комплекта;
- разработка математической модели процесса шумозащиты в системе «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда» с учетом изменения характеристик материалов в пакете и параметров окружающей среды;
- разработка методики оценки шумозащитных свойств пакетов материалов для автоматизации выбора рационального пакета материалов;
- разработка шумозащитных элементов специальной одежды;
- разработка композиционного пакета материалов с шумозащитным свойствами;
- разработка конструкции и технологии изготовления шумозащитного комплекта и шумозащитных элементов;
- исследования и апробация разработанного шумозащитного комплекта в реальных условиях на объекте газовой промышленности.
Методы исследования. В работе использованы положения системного подхода к проектированию швейных изделий специального назначения, методы экспертных оценок, методы оптимизационного математического и компьютерного моделирования, методы планирования научного эксперимента. При проведении исследований использованы контактные и бесконтактные методы измерений и фиксации результатов, методы исследований и положения теории акустики. Диссертационная работа реализована с применением программных продуктов Microsoft Word 2010, Microsoft Excel 2010, Maple 7.0, Компас, САПР «Грация», OscilloMeter 7.30 - Demo.
На защиту выносится:
- методика расчета величины снижения шума трехслойным пакетом материалов;
- математическая модель процесса шумозащиты в системе «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда» устанавливающая зависимость величины снижения шума от толщин материалов пакета, поверхностной плотности основного слоя пакета и температуры окружающей среды;
- методика расчета параметров системы «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда», для проектирования шумозащитной одежды, учитывающая величину снижения шума;
- проектирование и технология изготовления функциональных шумозащитных элементов специальной одежды и отдельных видов средств индивидуальной защиты.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке математической модели процесса шумозащиты в системе «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда», устанавливающей зависимость величины снижения шума от толщин материалов пакета, плотности основного слоя пакета и температуры окружающего воздуха;
- в разработке алгоритма выбора составляющих пакета для проектирования шумозащитной одежды на основе установленной зависимости величины снижения шума от параметров материалов;
-в экспериментальном обосновании влияния на величину снижения шума характеристик материалов, таких как геометрия поверхности, порядок расположения в пакете по отношению к источнику звука, ориентация по отношению к источнику звука сторонами, обладающими различными физическими свойствами.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- разработан стенд для измерения акустических параметров материалов в пакете, позволяющий оценить шумозащитные свойства комплекта специальной одежды (патент №132898 «Стенд для измерения акустических параметров материалов, используемых для изготовления защитной одежды», опубликован 10.01.2013 г.);
- разработан алгоритм расчета параметров системы «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда», учитывающий шумопонижающий эффект от использования пакета материалов;
- разработан метод выбора рационального пакета материалов, одновременно удовлетворяющего условиям требуемой защиты от шума и максимального теплового комфорта, представленный в виде алгоритма;
- разработана методика построения конструкции динамических вставок на локальных участках шумозащитной одежды;
- разработана технология производства шумозащитного комплкта;
- изготовлен комплект специальной одежды, шумозащитный эффект которого подтвержден опытной ноской, и доказана целесообразность внедрения предложенного технического решения комплекта (патент №135879 «Защитная одежда», опубликован 10.01.2013 г.).
Апробация результатов исследования.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на:
- I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2009» Ростов-на-Дону, 2009;
- II Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в сфере сервиса: проблемы и перспективы». 2010 г., Санкт-Петербург, СПбГУСЭ;
- I Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Мода и дизайн. Современная одежда и аксессуары 2010» Ростов-на-Дону, 2010;
- I Международной Экологической Недели в ЮФО и СКФО, 2013г.
- Межвузовской научно-практической конференции. Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях.
19- 21 мая 2009 года, г. Ставрополь, СТИС ЮРГУЭС;
- Межвузовской научно-практической конференции. Развитие
инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях. 22-23 мая 2010 года, г. Ставрополь, СТИС ЮРГУЭС;
- Межвузовской научно-практической конференции. Развитие
инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях.
20- 22 мая 2011 года, г. Ставрополь, СТИС ЮРГУЭС;
- Межвузовской научно-практической конференции. Развитие
инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях. (17-20 мая 2012 г), г. Ставрополь 2012г.;
- Межвузовской научно-практической конференции. Развитие
инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях. (21-22 мая 2013 г), Ставрополь 2013г.;
- Межвузовская научно-практическая конференция. Развитие
инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях.
(18-20 мая 2013 г), Ставрополь 2014г.;
- Межвузовская научно-практическая конференция. Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях. (18-20 мая 2013 г), ТИС (филиал) ДГТУ Ставрополь 2015г.;
-Участие в программе «Старт-2009» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере;
- Участие в Смотре-конкурсе «Эврика-2009». Пути защиты человека от вредных условий производства на основе применения композиционных материалов;
- Участие в школе-семинаре «III Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», Санкт-Петербург, 20-24 марта 2011г.;
- Участие в Федеральном окружном соревновании «Шаг в будущее», Ставрополь, ноябрь 2011. Диплом первой степени. «Акустические свойства текстильных материалов»;
-Участие в грантовом конкурсе Всероссийского фонда «Национальные перспективы» на Молодёжном межрегиональном образовательном форуме «СелиАС - 2013», Астрахань , 7-11 сентября 2013г.;
-Участие в грантовом конкурсе Ростовской области Молодежный инновационный конвент, 13-14 сентября 2014 г.
Внедрение результатов исследования Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены на предприятиях ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» п. Рыздвяный, СК, ООО «Санмаркинвест» г. Ставрополь, ООО ЧОП «Тафри-охрана» г. Ставрополь, а также внедрена в производство проектно-конструкторская документация на серию моделей специальной шумозащитной одежды в производственный цикл ИП Курбатова Ю.В. г. Ставрополь.
Публикации. Основные положения проведенных исследований опубликованы в 26 печатных работах, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертации, 1 патент на изобретение и 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертационной работы составляет 261 страницу текста, включающих 76 рисунков и 18 таблиц. Список использованной литературы содержит 182 источника. Приложения представлены на 66 страницах.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основе изучения статистических данных, специализированной справочной, медицинской и технической литературы проведен комплексный анализ системы «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда». Обоснована актуальность проектирования специальной одежды для защиты от воздействия агрессивной акустической среды в производственных условиях.
Сформулирован комплекс требований, которым должна соответствовать специальная шумозащитная одежда. Обоснована необходимость
использования в составе комплекта шумозащитного жилета, дополнительных шумозащитных вставок. Определен критерий оценки шумозащитных свойств, как отдельных материалов, так и пакетов из них.
2. Разработана конструкция экспериментальной установки, на которую получен патент на полезную модель №132898 «Стенд для измерения акустических параметров материалов, используемых для изготовления защитной одежды». Исследованы шумозащитные свойства материалов различного назначения, обладающих разными физическими и
геометрическими характеристиками в переменных условиях климатической среды.
3. Выполнены исследования влияния состава и порядка компоновки слоев материалов в пакете на величину снижения шума, в результате которых определен наиболее перспективный состав пакета материалов шумозащитной одежды.
4. Экспериментально доказана целесообразность использования в шумозащитном комплекте разработанных образцов композиционных материалов с нанесенным силиконовым слоем, на основе чего предложен принципиально новый состав пакета материалов для шумозащитного жилета.
5. Разработана математическая модель процесса шумозащиты в системе «Человек - Одежда для защиты от повышенного уровня шума - Агрессивная акустическая среда», устанавливающая взаимосвязь между величиной снижения шума пакетом материалов, изменяющимися характеристиками материалов в пакете и параметрами климатической среды.
6. Разработана методика автоматизированного выбора рационального пакета материалов жилета, одновременно удовлетворяющего условиям требуемой защиты от шума, максимального теплового комфорта (с учетом теплообмена с окружающей средой) и минимальной массы изделия. Выбран рациональный пакет материалов для изготовления шумозащитного жилета.
7. Предложен способ изготовления шумозащитных динамичных вставок шумозащитной одежды с системой членений, позволяющих увеличить эксплуатационный комфорт.
8. Разработана модельная конструкция и технология изготовления шумозащитного комплекта с использованием композиционного материала. Определены места расположения шумозащитных вставок для проектируемых изделий, их конфигурация и состав. Изготовлен комплект шумозащитной одежды (патент на полезную модель №135879 «Защитная одежда»).
9. Проведена апробация шумозащитного комплекта с использованием акустического комплекса в производственных условиях на объекте газовой промышленности, по результатам которой установлено, что комплект обеспечивает величину снижения шума, в зависимости от защищаемого участка тела, до 38,8 дБ, что значительно, на 10-15 дБ, превышает результаты шумозащиты аналогов. Достигнутые значения величины снижения шума согласованы с результатами расчетов программы выбора рационального пакета материалов, являются достаточными для обеспечения безопасности пребывания рабочего в условиях агрессивной акустической среды и соответствуют полученной при математическом моделировании величине снижения шума.