Введение к работе
Актуальность темы.
Концепция энергетической безопасности, предложенная Россией мировому сообществу, основывается на высоких темпах роста энергетической отрасли страны: в первую очередь, предприятий Газпрома, нефте- и угледобычи, располагающихся в районах Севера, Сибири, Дальнего Востока и Кузбасса.
Интенсивное развитие энергодобывающей отрасли, тяжелые климатические условия (широкий диапазон температур от -70 до +60 С) требуют повышения внимания к проблемам охраны труда и, в частности, к повышению уровня системы индивидуальной защиты человека, которая в настоящее время недостаточно учитывает значительно изменившиеся условия жизнедеятельности.
Одним из важнейших и самых массовых элементов защиты человека является специальная теплозащитная одежда (СТО). Она подразделяется на специальную защитную одежду от высоких температур (СЗОВТ) и специальную защитную одежду от низких температур (СЗОНТ), которая может совмещать в себе защиту от статического электричества (Эс).
Дальнейшее совершенствование такой одежды способствует повышению безопасности труда человека и сохранению здоровья производственного персонала.
Вопросами проектирования специальной теплозащитной одежды занимались многие ученые, такие как Афанасьева Р.Ф., Делль, Р.А., Бринк И.Ю., Колесников, П.А.,Кокеткин, П.П., Чубарова З.С., Бекмурзаев Л.А., Романов В.Е., Умняков П.Н. и другие. В основе процесса проектирования лежат расчеты, базирующиеся на систематизированных знаниях о современных материалах, конструкциях, утеплителях, физиологии человека, климатических и производственных условиях. Их описание, в частности, реализуется методами математического моделирования. Разработано большое количество математических моделей систем «Человек-Одежда-Среда» («Ч-О-С»). Однако формальные математические модели оторваны от практических требований инженеров-конструкторов одежды, которые вынуждены задавать исходные данные для проектирования, основываясь на своем субъективном опыте. Кроме того, технологии проектирования специальной теплозащитной одежды в широком диапазоне температур не имеют единой теоретической основы.
Проектирование специальной одежды как объекта, подлежащего обязательной сертификации, базируется на системе государственных стандартов, разработанных и принятых к использованию в течение последних десятилетий 20-го века. Интенсивное развитие текстильной промышленности существенно расширило ассортимент материалов для изготовления защитной одежды, однако их свойства не учтены в ГОСТах. Это приводит к необходимости материа-ловедческих исследований современных материалов применительно к использованию их в спецодежде, удовлетворяющей требованиям безопасности, и разработке методов расчета новых защитных конструкций одежды, соответствующих в целом требованиям государственной сертификации.
Наличие повышенной концентрации газа в атмосфере в районах газодобычи, сухости воздуха при очень низких температурах приводит к требованиям по снижению электризации одежды, так как возможное возникновение искры мо-
жет привести к объемному взрыву. На сегодняшний день методология проектирования специальной теплозащитной одежды требует дальнейшего развития.
Действующие нормы выдачи специальной одежды не учитывают изменений ее первоначальных эксплуатационных характеристик. И если ухудшение характеристик ткани, таких как масло-водо-отталкивающие свойства, в меньшей степени влияют на защитные характеристики одежды от опасных для жизни факторов в процессе периода ее эксплуатации, то изменение антиэлектростатических свойств наиболее существенно влияет на безопасность производственной деятельности персонала на предприятиях нефтегазодобывающего комплекса. Поэтому встает вопрос о проектировании спецодежды, которая может предупредить о наличии на ее поверхности электростатического заряда и уберечь от реальной опасности для жизни и здоровья человека.
Настоящая работа посвящена разработке теоретических основ комплексного проектирования специальной защитной одежды от широкого диапазона температурных воздействий и воздействия статического электричества, позволяющих инженеру-конструктору на основе формальных методов получить необходимые данные для проектирования современной защитной одежды с использованием средств САПР.
Под комплексностью понимается объединенная единым замыслом степень учета различных элементов проблемы (человек и его структура, одежда и ее параметры, среда и ее компоненты) и сведения их в единое целое в рамках широкого диапазона температурных воздействий в сочетании с актуальными компонентами воздействий на систему «Человек-Одежда-Среда» статического электричества.
Цель исследования. Целью настоящей работы является разработка теоретических основ проектирования специальной защитной одежды от широкого диапазона температурных и электростатических воздействий на предприятиях топ-ливноэнергетического комплекса (ТЭК).
Задачи исследования:
1. Разработка единой концепции комплексного проектирования специальной
теплозащитной одежды для повышения уровня охраны труда и здоровья человека на энергодобывающем производстве за счет повышения степени надежности и качества защитной одежды с новыми функциями.
2. Разработка уточненной модели тела человека, позволяющей исследовать и
оптимизировать поведение системы «Человек-Одежда-Среда» с повышенным уровнем точности.
3. Разработка комплекса моделей системы «Человек-Одежда-Среда», учиты-
вающих особенности функционирования системы в различных тепловых условиях, с целью расчета и прогнозирования уровня надежности и комфортности защитной одежды.
4. Разработка модели «Человек-Одежда-Среда», позволяющей определить эф-
фективные решения параметров теплозащитной одежды с дополнительной защитой от статического электричества.
5. Разработка методов инженерного проектирования, оценки и контроля безо-
пасности специальной защитной одежды с элементами функций оповещения.
6. Разработка алгоритмов и средств автоматизированного проектирования специальной защитной одежды от тепловых потоков в едином комплексе инженерных работ.
Объект исследования. Специальная теплозащитная одежда (СТО).
Общая характеристика методов исследования.
При построении математических моделей в работе использованы методы системного анализа, экспертных оценок, математического анализа, математической физики, планирования эксперимента, интерполяции и аппроксимации, математической статистики, антропометрии, математического моделирования, аналитической геометрии, конечных элементов, линейной алгебры. Основы теории теплопроводности, численные методы оптимизации, теория алгоритмизации.
При проведении расчетов на математических моделях применялись численные методы решения интегро-дифференциальных уравнений, методы решения систем дифференциальных уравнений, решения систем линейных и нелинейных уравнений, метод конечных элементов.
Экспериментальные исследования проводились на основе методов теории эксперимента и математической статистики.
В работе применялись следующие программные продукты: Microsoft Office 2003, CorelDRAW Graphics Suite 12, Borland С Builder 5.0, Delphi World 6 Pro, Visual Basic for Application, Maple 7.0, STATISTICA 6.0, Mathcad 11, Matlab Relase 13, САПР "Novo-cut".
Достоверность научных положений, полученных выводов и рекомендаций основывается на результатах лабораторных и натурных экспериментов и подтверждена математическими методами, а также актами производственной апробации результатов работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые разработана концепция комплексного подхода в проектировании специальной теплозащитной одежды и созданы общий логический маршрут и алгоритмы проектирования различных видов специальной теплозащитной одежды с дополнительной защитой от статического электричества в зависимости от заданных исходных условий.
-
Обоснована и предложена универсальная модель тела человека, характеризующаяся полученными уточненными описаниями поверхности туловища в виде эллиптических цилиндров и учетом расположения внутренних теплотворных органов.
-
Впервые разработаны математические модели системы «Человек-Одежда-Среда», учитывающие широкий диапазон температурных воздействий и специфические факторы ТЭК.
-
Модель системы «Человек-Специальная защитная одежда от высоких температур-Среда», учитывающая характерные сечения туловища человека, асимметрию расположения внутренних теплотворных органов и наличие внешних охлаждающих элементов.
-
Модель системы «Человек-Специальная защитная одежда от низких тем-
ператур-Среда», позволяющая получить рациональные параметры за-
щитного костюма и необходимые исходные данные для последующего инженерного автоматизированного проектирования одежды. 3.3. Имитационная модель системы «Человек-Специальная защитная одежда от низких температур-Среда»», учитывающая характерные сечения туловища и асимметрию расположения внутренних теплотворных органов человека, которая позволяет теоретическими методами оценивать адекватность полученных решений оптимизации и осуществлять прогнозирование состояния системы в ожидаемых условиях среды.
4. Модель «Человек-Специальная защитная одежда от низких температур и ста-
тического электричества-Среда»», позволяющая рассчитывать параметры пакета одежды с антиэлектростатическим эффектом.
5. Проведено теоретическое обоснование создания прибора, сигнализирующего
об опасном уровне электростатического заряда на поверхности специальной защитной одежды от низких температур и статического электричества.
Значимость для теории.
1. Разработанные автором аналитические схемы зависимостей сопутствующих
факторов среды и физиологии человека в характерных температурных условиях производственно-климатической среды ТЭК являются вкладом в общую теорию системного анализа проблем проектирования защитной одежды.
-
Обоснована концепция комплексного проектирования специальной теплозащитной одежды с учетом использования математических моделей «Человек-Одежда-Среда», учитывающих уточненные особенности модельного представления формы тела человека и локальность теплотворных органов.
-
Система алгоритмов проектирования специальной теплозащитной одежды позволила реализовать концепцию единого комплексного методологического подхода в проектировании защитной одежды от температурных и сопутствующих воздействий.
-
Новая база знаний в области автоматизированного проектирования одежды
применительно к специальной теплозащитной одежде.
Практическая ценность и реализация результатов работы в промышленности
-
Разработан программный блок «САПР специальной теплозащитной одежды», интегрированный в САПР одежды «Novo-cut», позволяющий повысить точность и объективность инженерных расчетов одежды. Программный блок так же совместим и с другими САПР одежды.
-
Разработан прибор ИРК-5 для измерения тепловых параметров человека, позволяющий проводить испытания одежды в натурных (полевых) условиях.
-
Разработан сигнализатор уровня допустимой напряженности электростатического поля на поверхности одежды («ИСКРА»).
-
Разработан костюм для защиты от повышенных температур «ДОН», применяемый при ведении подземных оперативных поисково-спасательных работ в угольных шахтах.
-
По разработанному автором техническому заданию создана и производится специальная пуходержащая подкладочная ткань «COTTON.NAVY NEW»
б
для специальной теплозащитной одежды и статического электричества, удовлетворяющая требованиям ВНИИГАЗ. 6. Разработан модельный ряд костюмов для защиты от пониженных температур «НОРД» с повышенной устойчивостью к воздействию холода, применяемый на предприятиях нефтегазового комплекса, которые впервые прошли лабора-торно-экспертный допуск центра сертификации ВНИИГАЗ и вошли в перечень средств индивидуальной защиты для работников ОАО «Газпром».
Автор защищает:
Концепцию комплексного проектирования специальной теплозащитной одежды, интегрированную в САПР.
Геометрические модели тела человека для проектирования одежды, учитывающие характерные формы туловища и асимметрию расположения теплотворных органов человека.
Оптимизационные и имитационные математические модели системы «Человек-Одежда-Среда» для расчета параметров специальной теплозащитной одежды.
Результаты исследований на математических моделях и последующих натурных экспериментах, положенные в основу создания сквозной САПР специальной теплозащитной одежды.
Апробация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 66 конференциях различного уровня, в том числе: межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы техники, технологии и экономики сервиса», ЮРГУЭС, г. Шахты, 1999, 2004, 2006, 2008 ; международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности «ПРОГРЕСС» ИГТА, г. Иваново, 2000, 2007, 2008; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» и международной научно-методической конференции «Инженерное образование в области легкой промышленности на рубеже 21 века» в МГУДТ, г. Москва, 2000; международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы: ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2000; научно-практическом семинаре по совершенствованию системы экспертизы промышленной безопасности Госгортехнадзора России, г. Новочеркасск, 2000; межрегиональной научно-практической конференции «Студенческая наука - экономике научно-технического прогресса» СевкавГТУ, г. Ставрополь, 2000, 2001, 2008; международной научно-практической конференции «Моделирование. Теории, методы и средства»: ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2001,2007; международной научно-практической конференции «Производство. Технология. Экология «ПРОТЭК» Станкин, г. Москва, 2001, 2002, 2003, 2006, 2007; межвузовской научно-технической конференции «Технико-технологические и социально-экономические проблемы развития сферы услуг», РИС ЮРГУЭС, г. Ростов-на-Дону, 2002, 2003,2004, 2005, 2006, 2007, 2008; международной научно-технической конференции «Роль предметов личного потребления в формировании среды жизнедеятельности человека» МГУДТ, г. Москва, 2002; в 24-й Россий-
ской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П.Макеева, МСНТ, г. Миасс, 2004; международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» УфГИС, г. Уфа, 2005; международной научно-технической конференции «Экономические проблемы организации производства систем и бизнес-процессов» ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2005; Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» МНИЦ, г. Пенза, 2005, 2006; международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2006; межвузовской научно-практической конференции «Теория, практика и перспективы развития современного сервиса» ВФМГУС, г. Волгоград, 2006; международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИНТОП)» ОрелГТУ, г. Орел, 2006; международной научно-технической конференции «Теория, методы и средства измерения, контроля и диагностики», ЮРГТУ, г.Новочеркасск, 2006; международной конференции «Ломоносов», МГУ, г.Москва, 2006; международных научно-технических конференциях «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии» и «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2006; Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» ВГТУ, г. Вологда, 2007; международной научно-технической конференции «Качество науки - качество жизни» ТГТУ, г. Тамбов, 2007; международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии СТТ 2007» ТПУ, г. Томск, 2007, 2008; всероссийской научно-технической конференции «Безопасность России: состояние и перспективы» Академия управления ТИСБИ, г. Зеленодольск, 2007; всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР - 2007», г.Томск, 2007; международной научной конференции «Проектирование новой реальности», ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, 2007; международной научно-технической конференции «Информатика и компьютерное проектирование 2007» ДонНТУ, г.Донецк (Украина), 2007; международной научно-практической конференции «Конкуренция и конкурентоспособность. Организация производства конкурентоспособной продукции» ЮРГТУ, г. Новочеркасск, 2007; международной научно-технической конференции «НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ -2008» МГТУ, г.Мурманск, 2008.
Результаты разработки единой технологии комплексного проектирования, методов и оборудования для оценки качества представлялись на выставках: «Научно-технические достижения образовательных организаций Юга России», г. Ростов-на-Дону, 2004; отраслевых конференциях, совещаниях, специализированных выставках по вопросам "Безопасность, комфорт и стиль спецодежды для ОАО "Газпром", г. Москва, 2004, 2005, 2006, 2007, получен диплом за достижения в разработке новой корпоративной специальной одежды для ОАО «Газпром»; региональной специализированной выставке «СПЕЦОВКА-2005» (диплом за лучшую коллекцию в корпоративном стиле ОАО «Газпром»); всероссийской профильной выставке «Телогрейка-2005», г. Москва, ВВЦ; выставке достижений работников легкой промышленности в рамках программы "Товары Юга" на юбилейном цикле выставок "Новочеркасску-200 лет", г. Новочеркасск, 2005; конференции - совещании - выставке "Спецодежда для газовой отрасли севера России",
«Сургутгазпром», г. Ноябрьск, 2005; отраслевой выставке «Современные средства индивидуальной защиты в газовой отрасли» г. Волгоград, 2005, 2007; Региональной выставке «Инновационный потенциал Юга России», г. Ростов-на-Дону, 2007.
Внедрение результатов исследований.
-
Блок САПР специальной теплозащитной одежды внедрен на предприятии ООО «БВН инжениринг», г. Новочеркасск, на базе которого разработаны серии моделей корпоративного направления «ГАЗПРОМ».
-
Специальная защитная одежда от высоких температур (Костюм «ДОН», «ДОН-1») внедрена в производство на ООО «БВН инжениринг», г. Новочеркасск и применяется в ряде подразделений ВГСЧ РФ.
-
Специальная защитная одежда от низких температур (Серия костюмов «НОРД») разработана и внедрена в производство на ООО «БВН инжениринг». Общий объем производства составляет более 100 000 000 руб. Применяется на предприятиях ОАО «Газпром» (ООО «Тюментрансгаз» - 46 000 000 руб., ООО «Волгоградтрансгаз», г. Волгоград - более 200 000 руб. и др.), в Российско-американской компании нефтедобычи Weus Holding, Ьіс "Weatherford", г. Москва (более 3 000 000 руб.) и других предприятиях энергодобывающего комплекса.
-
Прибор ИРК-5 внедрен в производство ООО НЛП «ИНТОР», г. Новочеркасск.
-
Прибор «ИСКРА» (сигнализатор уровня допустимой напряженности электростатического поля на поверхности одежды) внедрен в производство ООО НЛП «ИНТОР», г. Новочеркасск.
-
Методики проектирования и оценки качества специальной теплозащитной одежды с дополнительной защитой от статического электричества внедрены в производство на ООО «Универсальное объединение «ВИВ», г. Ростов-на-Дону, ООО "ТПП "Техноформ", г. Ростов-на-Дону, ООО «Компания «СПЛАВ», г.Москва, ООО «Диаформ», г.Гуково.
-
Полученные результаты внедрены в учебный процесс теоретических и практических курсов по дисциплинам «Методы и средства исследований», «САПР одежды», «Научно-исследовательские работы на стыке фундаментальных дисциплин», в учебные пособия «Системы автоматизированного проектирования одежды», «Методы и средства исследований».
-
Результаты исследований вошли в монографии «Проектирование противотепловых костюмов» автора Черуновой И.В. (Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007, -151с.) и «Основы проектирования антиэлектростатической теплозащитной одежды» авторов Черуновой И.В., Меркуловой А.В., Горчакова В.В., Бринка И.Ю. (Москва: Изд-во «Академия Естествознания», 2007, - 132с).
Публикации:
Всего по материалам диссертации опубликовано 82 печатных работы, среди которых статьи в материалах и сборниках трудов научных конференций различного уровня, в том числе 12 статей в реферируемых журналах центральной печати, рекомендованных ВАК, патенты и свидетельство на программу для ЭВМ, положительное решение ФИПС, 2 монографии.
Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов.
Обоснование и постановка целей исследования, формулировка задач, научной концепции, выбор методов и направлений исследований, анализ и систематизация полученных результатов, теоретические заключения, положения и выводы по работе, организация и непосредственное участие в широком комплексе экспериментальных исследований диссертации принадлежат лично автору.
Ряд положений методологического, теоретического и экспериментального характера в разработке усовершенствованной технологии проектирования теплозащитной одежды на основе уточненных моделей теплообмена, в исследовании и разработке специальной антиэлектростатической одежды для защиты от пониженных температур использованы при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук аспирантами Кудрявцевым В.И., Меркуловой А.В. под руководством автора.
Структура и объем:
Диссертационная работа изложена на 307 страницах машинописного текста, состоит из введения и 5 глав, 39 таблиц, 98 рисунков, общих выводов и библиографического списка, насчитывающего 586 наименований, а также приложений, изложенных на 64 страницах.
