Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Большое количество производимых сварочных работ выполняется не только в цехах на стационарных рабочих местах, оборудованных вентиляцией, но и на территории машиностроительных предприятий бригадами сварщиков в весьма экстремальных условиях производства. К таковым условиям относятся ограниченные пространства: колодцы, ямы, трюмы судов, цистерны, и другие труднодоступные стеснённые условия, где невозможно применить традиционные виды промышленной вентиляции. В таких условиях работы возрастает загазованность воздуха рабочей зоны, что приводит к значительному превышению величины предельно-допустимой концентрации (ПДК). Кроме того, повышенное тепловое облучение и неудобное положение тела во время выполнения сварочных работ в стеснённых условиях усугубляют тяжелые условия труда сварщиков.
Актуальность исследования обусловлена несовершенством существующих методов и способов защиты операторов, применяемых при проведении сварочных работ, в том числе мобильных вентиляционных установок, и необходимостью решения вопроса об использовании вентиляционного оборудования в ограниченных пространствах. Работа выполнялась в рамках госзадания Минобрнауки РФ по инициативному научному проекту №5.6968.2017/БЧ «Разработка основ методологии проектирования комплексных систем и средств защиты операторов от воздействия опасных и вредных производственных факторов» и при поддержке гранта РФФИ №16-38-60055 мол_а_дк.
Целью работы является улучшение условий труда сварщиков, работающих в ограниченных пространствах со стеснёнными условиями за счет определения опасных зон загазованности, параметров производственного микроклимата и достижения их допустимых величин в рабочей зоне.
Для достижения, поставленной цели необходимо решить следующие задачи: произвести анализ условий труда сварщиков, применительно к
стеснённым условиям ограниченных пространств; произвести систематизацию существующих математических моделей, описывающих процессы распространения и ассимиляции вредных веществ ВВ, сварочных аэрозолей СА и избытков теплоты ИТ; адаптировать и реализовать k- модель турбулентности, описывающей процессы распространения ВВ, СА и ИТ в ограниченных пространствах с учётом различных видов теплообмена с источником загрязнения и тепловыделения, использовав современное производительное программное обеспечение Solidworks; произвести расчеты полей концентраций ВВ, температуры и подвижности воздуха на рабочем месте сварщика; провести экспериментальные исследования загазованности и параметров микроклимата в ограниченных пространствах с целью проверки адекватности разработанной математической модели; предложить инженерно-технические решения по обеспечению ПДК и нормативных параметров производственного микроклимата при работе сварщиков в стесненных условиях.
Предмет, объект и методология диссертационного исследования.
Процессы тепломассопереноса вредных веществ, сварочных аэрозолей и избытков теплоты в полузамкнутых ограниченных воздушных пространствах составляют предмет исследования.
Объектом исследования является система защиты органов дыхания сварщика, который работает в ограниченных пространствах со стеснёнными условиями при сильной загазованности и отсутствием или недостаточной естественной вентиляцией.
Метод исследования: численное моделирование тепломассопереноса вредных веществ, сварочной аэрозоли и избытков теплоты при нестационарном режиме в трехмерной постановке. Экспериментальные методы исследования: планирование, организация и проведение экспериментальных исследований; обработка опытных данных и анализ полученных результатов.
Методологией работы является построение математических моделей тепломассопереноса загрязнений на основе классических газодинамиче-4
ских моделей с адаптацией их к конкретным граничным условиям, особенностям различных видов сварки в ограниченных пространствах и объектах, в том числе с учетом различных видов теплообмена.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Классическая модель непрерывной среды на базе уравнений Навье-Стокса адаптирована к решению комплексной задачи теплообмена со сложными движущимися граничными условиями, которая в отличие от существующих моделей распространения производственных вредностей учитывает не только завихрения газовоздушных потоков, но и различные виды теплообмена с источником загрязнения и тепловыделения;
Математическая модель применима к различным объектам, учитывает технологические параметры процесса сварки и расширенный спектр выделяемых в рабочую зону вредных веществ, что позволяет определять не только концентрации ВВ, но и параметры производственного микроклимата в рабочей зоне полузамкнутых ограниченных пространствах с естественной и принудительной вентиляцией;
В результате натурных и численных экспериментов получены зависимости и установлены факторы, оказывающие решающее влияние на формирование полей подвижности воздуха, температуры и концентрации ВВ в воздушной среде исследуемых полузамкнутых ограниченных пространств и объектов, что позволило их классифицировать и разработать рекомендации к организации сварочных работ.
Практическая ценность работы:
Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитать поля концентраций вредных веществ, температур и движения воздуха в условиях полузамкнутых и замкнутых пространств, где имеет место работа сварщика в стеснённых условиях, с учетом выделения загрязнений и теплоты в процессе сварки.
Предложен вентиляционный комплекс (патент РФ №2600717, разработанный на кафедре БЖиЗОС ДГТУ), позволяющий обеспечить соблюдение санитарно-гигиенических требований при работе сварщиков в стес-5
нённых условиях ограниченных полузамкнутых пространств (в колодцах, ямах, траншеях).
Разработаны рекомендации к безопасным способам ведения сварочных работ в стеснённых условиях (применение защитных экранов), так и предложения по реконструкции систем мобильной вентиляции рассматриваемых объектов для того, чтобы улучшить условия труда.
Реализация работы в промышленности. Итоги исследований апробированы, эффективность в снижении уровней загазованности и нормализации параметров микроклимата достигнута при проведении испытаний с использованием мобильного вентиляционного комплекса в ОАО "РОСТ-ВЕРТОЛ" (г. Ростов-на-Дону) при работе заводских бригад сварщиков.
Апробация работы. Главные положения и итоги исследований докладывались и обсуждались на IХ Международной научно-практической конференции «Европейская наука ХХI века - 2013» (Польша, 07-15 мая 2013), IХ Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы новых наук - 2013» (Польша, 07-15 июня 2013), V научно-практической конференции "Инновационные технологии в машиностроении и металлургии" Семинар "Тенденции развития сварочного производства в России" (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 11-13 сентября 2013 г.), V региональной научно-практической конференции Южного федерального округа: Новые направления модернизации педагогического образования в формировании здорового образа жизни и безопасности жизнедеятельности (г. Краснодар, КубГУ, 07 декабря 2016).
Публикации. По материалам диссертации было опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, которые рекомендует ВАК РФ и одна статья в издании, входящем в базу данных Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных литературных источников. Материал диссертации содержит 180 страниц машинописного текста, 18 таблиц, 79 рисунков, список библиографических источников из 116 наименований. Отдельное приложение на 1 странице.