Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Принципы разработки пакетов материалов для шумозащитной одежды специального назначения 9
1.1 Анализ условий труда рабочих-операторов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и виды агрессивных факторов в системе «человек-производственная среда» 9
1.2 Особенности технологических операций на газоперекачивающих компрессорных станциях. Источники возникновения повышенных шумовых нагрузок
1.3 Шум как фактор негативного воздействия на человека 17
1.4 Анализ медицинских экспериментальных исследований влияния акустических колебательных явлений на тело и организм человека 23
1.5 Анализ средств индивидуальной защиты на предприятиях нефтегазовой промышленности 31
1.5.1 Ассортимент и особенности конструкции специальной одежды 31
1.5.2 Анализ средств индивидуальной защиты от шума 34
1.5.3 Ассортимент текстильных материалов, применяемых при проектировании специальной одежды для нефтегазовой отрасли промышленности 35
1.5.4 Анализ акустических свойств текстильных материалов 37
Выводы по первой главе 40
Глава 2 Исследование и разработка методики изучения акустических свойств текстильных материалов для целей создания рациональных пакетов материалов специальной защитной одежды 41
2.1 Исследование спектрального состава шума на компрессорной станции 41
2.2 Разработка методики эксперимента по изучению акустических свойств текстильных материалов 49
2.2.1 Техническое обеспечение и проведение эксперимента по определению акустических свойств текстильных материалов 52
2.2.2 Исследование акустических свойств текстильных материалов 55
2.2.3 Исследование акустических свойств волокнисто-пористых материалов, с целью их возможного использования при создании дополнительных шумопоглощающих накладок 59
2.3 Планирование полного факторного эксперимента 62
Выводы по второй главе 72
Глава 3 Математическая модель прохождения звуковых колебаний через защитное устройство 74
3.1 Разработка имитационной математической модели в системе
«человек - одежда - среда» 74
3.2 Аналитическое обоснование методов защиты от акустических воздействий на организм человека с помощью защитного устройства 75
3.3 Математическое моделирование акустических защитных свойств текстильных материалов 76
3.4 Построение имитационной математической модели многослойного защитного устройства 82
3.5 Определение коэффициента звукопоглощения защитного устройства на основе решения обратной задачи и определение необходимой толщины пакета материалов в соответствии с санитарными нормами 90
Выводы по третьей главе 93
Глава 4 Исследование и разработка шумозащитного комплекта специальной одежды для работников нефтегазовой отрасли промышленности
4.1 Аналитическое обоснование необходимости проектирования дополнительных защитных накладок 94
4.2 Графическая постановка задачи применения дополнительных шумозащитных накладок 96
4.2.1 Расчет параметров эффективной конструкции дополнительной звукопоглощающей накладки 97
4.3 Разработка модельной конструкции шумозащитного комплекта специальной одежды 100
4.4 Разработка технологии изготовления шумозащитного комплекта специальной одежды 108
4.5 Исследование акустических характеристик шумозащитного комплекта специальной одежды 112
4.6 Экспертная оценка комфортности в условиях эксплуатации шумозащитного комплекта специальной одежды 115
4.7 Производственная апробация и внедрение шумозащиных комплектов специальной одежды в производство 116
4.8 Расчет экономической эффективности от внедрения шумозащитного комплекта специальной одежды 117
Выводы по четвёртой главе 122
Основные результаты и выводы по работе 123
Библиографический список 125
Приложения 134
- Особенности технологических операций на газоперекачивающих компрессорных станциях. Источники возникновения повышенных шумовых нагрузок
- Разработка методики эксперимента по изучению акустических свойств текстильных материалов
- Аналитическое обоснование методов защиты от акустических воздействий на организм человека с помощью защитного устройства
- Графическая постановка задачи применения дополнительных шумозащитных накладок
Введение к работе
Современная техника развивается в направлении увеличения мощности оборудования, возрастания скоростного режима и, естественно, это ведет к появлению больших динамических нагрузок, что, в свою очередь, определяет интенсивность шума. В борьбе с такими негативными явлениями требуется особое внимание, так как ослабление шумов в промышленности весьма улучшает условия труда, увеличивает работоспособность, благоприятно сказывается на здоровье людей. Именно поэтому научные исследования в этой области весьма активизировались в последнее время.
К числу основных задач, направленных на решение данной проблемы, относятся:
- совершенствование оборудования и создание техники, работающей с
меньшим шумом;
изоляция оборудования, создающего повышенный шум;
разработка средств, защищающих человека от шума.
По каждой из выше перечисленных задач проводятся соответствующие исследования, причём по первым двум в больших объёмах и более активно. Мы сосредоточим внимание на третьем направлении. При этом, в качестве примера, исследование будет проводиться применительно к нефтегазовой промышленности, где шумовой фактор, как неблагоприятный, весьма весом.
Целью диссертационной работы является усовершенствование специальной одежды для специалистов нефтегазовой промышленности, в плане обеспечения их защиты от вредного воздействия производственного шума.
Для достижения сформулированной цели в работе поставлены следующие задачи:
- выявить и изучить опасные и вредные производственные факторы на
предприятиях нефтегазовой отрасли;
- исследовать акустические свойства текстильных материалов и
рекомендовать лучшие из них (из материалов) для проектирования защитной
одежды;
найти связь между акустическими и геометрическими параметрами текстильных материалов для выбора рационального пакета ;
разработать математическую модель процесса прохождения звуковых волн через многослойное защитное устройство;
исходя из медицинских показаний, выделить на теле человека зоны, требующие дополнительной защиты от воздействия звуковых волн;
- разработать конструкцию и технологию изготовления специальной
шумопоглощающей одежды для работников нефтегазовой отрасли
промышленности.
Объект исследования: Компоненты системы « человек - специальная одежда - производственная среда».
Основные методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием закона сохранения энергии, принципа непрерывности звукового давления, имитационного математического моделирования, теории планирования эксперимента. Экспериментальные исследования с применением методов математической статистики, позволяющие получить результаты, адекватные действительности, с применением статистической обработки результатов экспериментов.
В работе использовались программы Maple 7.0, 3D Studio MAX, Paint для операционной системы Windows 2007, Windows ХР и комплексной системы автоматизированного проектирования одежды «Грация».
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:
получена математическая модель распространения звуковых колебаний через защитное устройство (ЗУ) конечной толщины (в роли ЗУ выступает пакет материалов);
обоснована и разработана методика экспериментального исследования акустических свойств текстильных материалов и пакетов из них;
- получены данные об акустических свойствах пакетов материалов;
- разработана имитационная математическая модель действия звуковых
колебаний в системе «Человек - специальная одежда - производственная среда», учитывающая структуру пакета материалов;
- разработана методика расчета параметров и мест расположений
дополнительных звукопоглощающих накладок.
Практическая значимость работы заключается в конкретном использовании найденной взаимосвязи между толщиной пакета материалов, структурой материала специальной одежды и частотой звука при создании шумопоглощающих накладок;
в конкретном использовании найденной взаимосвязи между толщиной пакета материалов, структурой материалов специальной одежды и частотой звука при создании шумопоглощающих накладок;
в определении необходимой толщины пакета материалов в соответствии с санитарными нормами;
в разработке конструкции и технологии изготовления пакета специальной одежды с улучшенными акустическими свойствами;
в разработке и изготовлении комплекта специальной одежды с высокими шумопоглощающими свойствами.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на научно - практических конференциях научно - преподавательского состава ЮРГУЭС в г. Шахты и СТИС ЮРГУЭС в г. Ставрополе в 2004-2007 годах.
Достоверность результатов исследования, выводов и рекомендаций подтверждена публикациями, производственной апробацией, внедрением результатов работы в учебный процесс и двумя патентами Российской Федерации.
Внедрение результатов исследования.
Разработанный комплект специальной одежды для работников нефтегазовой отрасли промышленности с повышенными шумопоглощающими свойствами внедрен в производство на ЗАО Швейная фабрика «Весна» г. Ставрополя.
8 Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе
студентов специальности 260902 «Конструирование швейных изделий» СТИС ЮРГУЭС при чтении лекционного курса, проведении практических работ по дисциплинам «Гигиена одежды», «Материаловедение», «Проектирование специальной одежды», а также при выполнении курсовых работ научно-исследовательского характера.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, получено два Патента Российской Федерации.
Структура и объём работы: Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, библиографического списка, насчитывающего 99 наименований. Содержит 31 рисунков, 26 таблиц, а также 14 приложений, изложенных на 60 страницах.
Особенности технологических операций на газоперекачивающих компрессорных станциях. Источники возникновения повышенных шумовых нагрузок
За время рабочей смены, оператором ГПА ведется обход территории агрегата с целью наблюдения за работой оборудования и механизмов. Территория обхода составляет 10000 кв.м. Маршрут обхода и необходимость фиксирования показаний приборов технологического оборудования, предполагают некоторые затраты времени. По результатам замеров для проведения обхода газоперекачивающего агрегата в штатной ситуации (без ремонтных работ) оператору ГПА необходимо 47 мин. Обход производится каждые два часа. Маршрут обхода территории Рождественской ГПС представлен в приложении С.
Во время работы оператор компрессорной станции следит за технологическим режимом работы агрегатов, состоянием сосудов работающих под давлением, оборудованием КИША, электрооборудованием цеха, работой вентиляционной системы, системы охлаждения агрегатов, ведет техническую документацию. При этом в зоне работы приводящих двигателей и в непосредственной близости с ГПА-Ц-6,ЗВ оператор подвергается воздействию шума от 80 дБ до 120 дБ.
В обязанности оператора ГПА входит: - следить за работой кранов коллекторов импульсного, пускового и топливного газа (при необходимости исправность кранов должна проверяться повторяющимися вращательными движениями, на запорной арматуре оператором устанавливаются устройства, исключающие возможность открытия и закрытия кранов); - не допускать пролив масла, воды или других жидкостей на пол, подтёки должны удаляться, обтирочная ветошь должна удаляться в специальный ящик; - производить газовые работы в соответствии с перечнем огневых и газоопасных работ; - набивать краны крановой смазкой; - отсоединять трубопроводы импульсного газа от всех кранов, ввертывать в штуцера пневмоцилиндров заглушки и пломбировать их; - устанавливать скобы, исключающие открытие кранов вручную; - перекрывать вентили отбора газа; - снимать напряжение со щита управления агрегата; - снимать штурвал для ручного открытия крана; - открывать люк-лаз и удалять конденсат из трубопроводов; - обеспечивать подъём деталей агрегата, используя ручную таль; - вести ремонтные работы на высоте 1,5 м; - в зимнее время очищать оборудование и площадки от снега и гололёда, посыпать дорожки между агрегатами песком; - производить виброобследование работающего ГПА [8].
Анализируя вышеперечисленный перечень работ оператора ГПА, можно сделать вывод, что выполнение такой обширной производственной деятельности связано с достаточно интенсивным движением человека. Постоянное чередование видов работ на открытом воздухе и в помещениях компрессорной станции диктует необходимость наличия специальной одежды с обоснованными эргономическими, гигиеническими, психофизическими функциями.
Тенденция усовершенствования газотранспортного оборудования состоит в создании агрегатов повышенной мощности. Так, в настоящее время внедряются газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом мощностью 16,25 МВт и более. Возрастает скорость, давление и температура газовоздушных потоков в агрегатах. В то же время металлоемкость и относительная масса ГПА непрерывно снижаются. Это приводит к увеличению амплитуды колебаний ГПА и его частей, к более резким изменениям скорости и давления газовоздушных потоков, что обусловливает повышение интенсивности механического и аэродинамического шума.
При сбросе газов через факельные или сбросные трубы со скоростями, превышающими скорости звука, в газе создаётся интенсивный шум за счет расширения газа при прохождении его через регулирующий клапан и при выходе из трубы. Уровень шума при выпуске природного газа через сбросную трубу варьируется в пределах 150 - 170 дБ и достигает максимума в полосе частот 1 - 2 кГц. Уровень шума, производимого предохранительными клапанами, используемого обычно для снижения сверхкритического давления газа или пара, составляет 94 -118 дБ. Возникновение шума объясняется турбулентностью потока и трением между частицами газа или пара и стенками выпускного устройства. Замена одного отверстия несколькими на факельных трубах снижает уровень шума. Так, при замене одного отверстия четырьмя, при той же суммарной площади сечения, шум снижается на 7 - 8 дБ. Однако, всё равно остаётся весьма высоким.
К основным источникам шума на газопромысловых сооружениях при работе факельных установок относится газовая горелка. Из-за неравномерности и неустойчивости процесса сгорания и турбулентности потоков сгораемого газа создается шум с уровнями до 120 дБ.
Другим источником шума факельной установки являются струи воды или водяного пара, подаваемого к горелке для обеспечения бездымного сжигания. В этом случае шум обусловлен потерями энергии пара. Именно этот шум наиболее нежелателен при эксплуатации факельных установок.
Зафиксированные при этом уровни звукового давления превышают допустимые по санитарным нормам в диапазоне частот от 250 до 8000 Гц, и составляют 100-120 дБ. Несмотря на производимые на газоперекачивающих станциях организационно-технические мероприятия по снижению уровня шума, эти показатели пока выше допустимых. В этом случае защита персонала от шума может быть осуществлена не только специальными подходами по шумоизоляции оборудования, но и с помощью средств индивидуальной защиты.
Разработка методики эксперимента по изучению акустических свойств текстильных материалов
Выбор материала, является одним из важных параметров процесса проектирования специальной одежды. При изучении и анализе качества тканей, оцениваемые свойства группируются по определённым признакам, зависящим от поставленных целей и задач. Поэтому, исходя из специфики проектной ситуации, в работе подробно рассматриваются в основном акустические свойства, характеризующие отношение материалов к звуку, называются акустическими. Звукоотражающие и звукопоглощающие свойства текстильных материалов являются наиболее существенными их акустическими свойствами. Они оказывают непосредственное влияние на подбор материалов в пакет. Но, при разработке специальной одежды, оценка качества её конструкции с позиции эргономического соответствия в динамике должна быть выполнена с учетом других свойств этих материалов, например, деформационных, теплозащитных и других.
При проведении работ по определению акустических свойств текстильных материалов, необходимо установить способность материалов пропускать через себя звуковые волны. Очевидно, что способность уменьшить силу звука, прошедшего через материал или пакет материалов, будет являться показательной для обоснованного проектирования и шумозащитных накладок, и специальной одежды в целом.
Определение отраженной звуковой энергии, коэффициента звукоотражения /?, поглощенной энергии и коэффициента звукопоглощения представляет собой значительные трудности. Но для нашего исследования выделение этой составляющей не требуется, так для решаемой задачи всё равно, куда уходит энергия шума, лишь бы она не доходила, или доходила в незначительном количестве, до защищаемого тела человека. Звукопроводность и звукопоглощение зависит от поверхностной плотности р (кг/м ) и толщины слоя защиты с1(м) [63].
Поток энергии U„ад , замеренный непосредственно у источника или на расстоянии слабого затухания сопоставляется с энергией волны, прошедшей сквозь защитный слой Unp. В виду сложности процесса похождения звуковой энергии через преграду и невозможности разделения потока отраженной и поглощенной энергии, основным путём для изучения проблемы является эксперимент.
В промышленности для звуковых измерений используется акустический интерферометр [51]. Прибор позволяет определить коэффициент звукопоглощения материалов при попадании на поверхность звуковых волн от источника и волн, многократно отраженных и от поверхности материала и от соседних поверхностей.
Недостатком такого устройства является отсутствие возможности измерения коэффициента поглощения звука текстильными материалами при условии проникновения звука сквозь ткань, то есть когда материал используется как преграда для звуковых волн и оценивается звуковая энергия за преградой, которая доходит до тела человека. Следовательно, возникает необходимость в усовершенствовании существующего прибора для целей определения акустических свойств текстильных материалов.
Для определения акустических свойств материалов, пакетов материалов, применяемых для изготовления шумозащитной одежды, была разработана установка, состоящая из шумомера ВШВ-003 (измеритель шума и вибрации: паспорт 5Ф2 745.009ПС), генератора сигналов низкой частоты ГЗ-118, звукоизолирующего контейнера и угольного микрофона МК-10 (прибор для преобразования акустических колебании среды в электрические). На разработанную установку получен патент на полезную модель № 62251 «Устройство для измерения акустических параметров текстильных материалов».
Измеритель ВШВ-003, входящий в состав установки, предназначен для измерения и частотного анализа параметров шума и вибрации, может применяться для исследования шумов и вибрацией в жилых и производственных помещениях; измерения и анализа шума и вибрации в промышленности при разработке и контроле качества изделий [10]. Прибор входит в агрегатный комплекс средств измерения вибрации (АСИВ) и может работать в лабораторных, производственных и полевых условиях. Прибор по метрологическим параметрам и техническим характеристикам соответствует 1 классу точности по ГОСТ 17187-81 [50] и 10 классу по ГОСТ 16826-71 [56]. По устойчивости к климатическим воздействиям измеритель ВШВ-003 соответствует 4 группе по ГОСТ 22261-82 для температур от -10 до + 50С [55].
В разработанном нами приборе, звукоизолирующий контейнер представляет собой коробчатую структуру из металла, с двумя отверстиями на противоположных плоскостях. В одно из отверстий вмонтирован динамик, к которому по проводу от генератора поступает звуковой сигнал.
Образец вырезается из куска материала или, в случае определения акустических параметров пакетов материала, из материалов, входящих в пакет. Образец размером 100мм на 100 мм помещается на плоскость контейнер, над отверстием.
Аналитическое обоснование методов защиты от акустических воздействий на организм человека с помощью защитного устройства
Моделирование процесса акустического воздействия производственного шума на человека позволяет прогнозировать изменение состояния человека, как при длительном воздействии шума, так и при различных уровнях звука в сочетании с вредными факторами производственно среды [62]. В соответствии с вышеизложенным и возможностью охарактеризовать процесс прохождения звуковой энергии через ЗУ энергетическими коэффициентами, можно выделить следующие принципы защиты: 1. принцип, при котором коэффициент звукоотражения /?—Л; защита осуществляется за счет отражательной способности ЗУ; 2. принцип, при котором коэффициент звукопоглощения а —»1; защита осуществляется за счет способности ЗУ поглощать звуковую энергию; 3. принцип, при котором коэффициент звукопроводности г —»1; защита осуществляется с учетом свойств прозрачности ЗУ. На практике принципы обычно комбинируются. В результате таких комбинаций получаются различные методы защиты. Принципиально можно различать два вида поглощения энергии ЗУ: - поглощение энергии самим ЗУ (характеризуется коэффициентом а); - поглощение энергии в связи с большой прозрачностью ЗУ (характеризуется коэффициентом звукопроводности т).
Теоретическое защитное устройство бесконечной толщины, представляет собой среду, простирающуюся в направлении распространения волны. Таким образом, волна из одной среды проходит в другую среду (защитное устройство), предварительно попадая на границу раздела этих сред. При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская волна частично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской, но меняя при этом свое направление распространения, т. е. преломляясь. Таким образом, в общем случае существуют три волны: падающая, отраженная и преломленная (прошедшая).
Распространение звуковых колебаний в многослойном защитном устройства Снаружи из среды М на первый слой Mi падает плоская акустическая волна с амплитудой и0+ (рисунок 3.3). На границе сред волна частично отражается, частично преломляется. При дальнейшем распространении на каждой границе между слоями материалов волна частично отражается. Отраженные волны при распространении в обратном направлении вновь попадают на границы разделов различных сред и вновь отражаются. При этом на выходе получится волна, являющаяся результатом интерференции волны, прошедшей в прямом направлении через все слои и волны, возникшей в результате многократных отражений, обладающая амплитудой u N+r От многослойного защитного устройства будет отражаться волна с амплитудой щ , образованная составляющей отраженной волной от слоя 1 и составляющими, однократно и многократно отраженными волнами от внутренних слоев (2..N). Аналитически соотношения амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн связаны амплитудным коэффициентом отражения R и амплитудным коэффициентом передачи Т. Следовательно, в результате расчетов необходимо получить результирующие численные значения величин Т и R для ЗУ, состоящего из N слоев.
Для получения аналитических расчетных соотношений произведем декомпозицию задачи анализа. Анализ процесса распространения акустической волны через многослойное препятствие проведен в работе в несколько этапов: 1. Анализ распространения акустической волны через слой материала, имеющий две границы с различными средами. 2. Анализ распространения акустической волны через два слоя, имеющих две границы со средой и границу между собой. 3. Преобразование выражений для случая N слоев материала. Кроме того, при этом должны выполняться граничные условия: по обе стороны границы должны быть равны звуковые давления - принцип непрерывности звукового давления или неразрывности вещества, и равенство напряжений [66].
Графическая постановка задачи применения дополнительных шумозащитных накладок
Анализ проведенного нами исследования, показал, что одно и то же значение коэффициента звукопоглощения может быть достигнуто при различных толщинах материалов.
Явления дифракции акустических волн при использовании накладок будет оказывать влияние только в верхнем спектре шумовых колебаний [70]. Для создания же зоны тени на высоких частотах необходимо увеличить размер накладки на величину А/ (рисунок 4.3).
При разработки шумозащитного костюма для работников нефтегазовой отрасли промышленности за основу принята базовая конструкция костюма [29]. При этом были учтены условия по обязательной сертификации такой продукции, а именно: одежда специального назначения должна отвечать основным положениям, нормативно-технической документации, которые определяют защитные свойства и качество продукции в аспекте подбора материалов, выполнения швов, маркировки, упаковки и применения в определенные сроки эксплуатации.
Также учитывались требования, предъявляемые к проектируемому изделию, условия труда работников данной отрасли, результаты научных исследований действия шума на организм человека.
На основании анализа литературных источников [15] установлена зависимость между температурой воздуха (t) и скоростью звука при атмосферном давлении 760 мм рт. ст., которая приведена на рисунке 4.11 Приложение Ч. Как нами отмечалось ранее, производственный процесс предусматривает чередование выполнения работ на открытом воздухе и в помещении.
Для нашего исследования был выбран температурный режим от - 20С до + 10С, как наиболее характерный для данной климатической зоны. Исходя из необходимости защиты основных участков тела работающего от комплекса факторов климатической и производственной среды, был разработан комплект, состоящий из утепленной куртки, жилета и полукомбинезона. Защиту тела работающего от негативных последствий воздействия шума осуществили путем применения дополнительных накладок на участках, наиболее подверженных шумовым воздействиям. Так, введение жилета способствует увеличению уровня шумоизоляции в области туловища. Введение дополнительных накладных деталей жилета и куртки позволяет защитить брюшную область, грудную клетку, плечевой пояс и позвоночный столб.
Дополнительные накладки рукава и полукомбинезона введены для шумозащиты локтевого и коленного суставов, и, наряду с этим, несут функциональную нагрузку, усиливая участки, подверженные наибольшему износу и истиранию.
Построение чертежа модельной конструкции производилось по методике ЕМКО СЭВ в САПР одежды «Грация» с преобразованием базовой конструкции в модельную.
Перед куртки с накладными карманами, входящими внутренним срезом в шов притачивания планки, верхним срезом в шов настрачивания отделочного элемента, а нижним срезом в шов притачивания пояса. Карманы имеют наклонную линию входа и выполнены с клапанами с застежкой на петлю и пуговицу. Карманы с двумя вариантами входа: горизонтальным и вертикальным. Отделочным элементом переда является светоотражающая полоса, расположенная вдоль верхнего среза кармана.
Похожие диссертации на Исследование и разработка пакетов материалов для шумозащитной одежды специального назначения
