Введение к работе
Актуальность. Высокочастотный нагрев металлов и диэлектриков находит широкое применение в различных областях промышленности (строительство, электротехника, машиностроение, медицина, пищевые отрасли и др.). Увеличение числа и мощности промышленных высокочастотных (ВЧ) установок обусловливает необходимость исследования электромагнитных полей (ЭМП) не только в геометрической области нагреваемого материала, но и ЭМП, излучаемых во внешнее пространство. Последние являются причиной как достаточно мощных радиопомех, так и гигиенически значимых доз облучения персонала в производственных помещениях. Анализ результатов аттестации рабочих мест ВЧ электротермического оборудования на промышленных предприятиях России показывает, что примерно на 60 - 70 % рабочих мест условия труда могут быть отнесены к 3-му и 4-му классам вредности, причем подавляющее большинство случаев превышения предельно-допустимых уровней (ПДУ) ЭМП на рабочих местах (до 90 %) связано с осуществлением ограниченного ряда технологических операций - ВЧ сварка термопластов, нагрев диэлектриков в конвейерных установках, индукционная закатка, пайка и наплавка, индукционная плавка в бессердечниковых печах и сквозной нагрев перед прессованием. Из-за высокой ВЧ облучаемости рабочих мест растут показатели заболеваемости производственного персонала и текучести кадров.
Проблема защиты рабочих мест от ВЧ облучения тесно связана с двумя научными направлениями.
Первое, которое можно назвать "техническим", относится к вопросам проектирования и эксплуатации ВЧ электротермического оборудования. Большой вклад в создание научных основ проектирования электротермических установок внесли известные отечественные ученые В.П.Вологдин, А.Е.Слухоцкий, А.С.Васильев, Ф.В.Безменов, А.Н.Шамов, Н.П.Глуханов, И.Г.Федорова, Вс.П.Вологдин, А.В.Донской, А.А.Фрумкин, В.С.Немков, К.З.Шепеляковский, Г.И.Бабат, М.Г. Лозинский и др.
Второе направление можно назвать "медико-биологическим". Оно связано в первую очередь с исследованием воздействия ВЧ ЭМП на биологические объекты. Широкие исследования в этой области были начаты в нашей стране в 60-е годы, был накоплен обширный клинический материал о неблагоприятном действии ЭМП, который явился основой при разработке нормативных документов и обоснования ПДУ электромагнитных воздействий в промышленных условиях. Нельзя не отметить таких отечественных исследователей как З.В.Гордон, А.Г.Суббота, Т.В.КаЛяда, Б.М.Савин, Ю.Г.Григорь-
ев, Ю.П.Пальцев, В.Н.Никитина, В.О.Самойлов, Б.И. Давыдов, Е.А. Лобанова, К.В.Никонова, А.С.Пресман, М.Г.Шандала, Б.А.Чухловин, Ю.А.Холодов и многих других.
К сожалению, оба отмеченных научных направления развиваются в общем изолированно и независимо друг от друга (в качестве исключения отметим исследования Ю.А.Осипова, К.В.Никоновой, П.П.Фукаловой, В.А.Франке, выполненные в 60-х годах). На сегодняшний день практически отсутствуют научные исследования, выполненные на основе "технического" и "медико-биологического" направлений, применительно к решению проблемы обеспечения защиты рабочих мест ВЧ электротермического оборудования от электромагнитного облучения. Результатом этого является: во-первых практически полное отсутствие методов теоретической оценки и прогноза облу-чаемости персонала, основанных на реальных требованиях производственных процессов нагрева и параметрах установок и, во-вторых, чрезвычайно ограниченность методов и рекомендаций по снижению облучаемости рабочих мест (в качестве основного метода рекомендуется применять замкнутые металлические экраны, установка которых в значительном числе случаев затруднена или невозможна). Также выраженная специфика облучения рабочго мест ВЧ электротермического оборудования не позволяет распространить ні них полученные ранее результаты анализа и снижения облучаемости от дру гих источников ЭМП.
Настоящая диссертационная работа посвящена проблеме защиты рабо чих мест персонала, обслуживающего ВЧ электротермические установки.
Целью работы якгтяется научное обоснование комплекса организацион ных и технических мероприятий по защите рабочих мест высокочастотной электротермического оборудования от электромагнитных полей, разработан ного на основе теоретических положений, базирующихся на едином методо логическом подходе к построению математических моделей электромагнит ных процессов на этапах анализа и снижения облучаемости.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы і решены следующие задачи:
-
Впервые разработаны теоретические основы анализа электромагаитны: излучений и обеспечения защиты рабочих мест персонала ВЧ электротерми ческого оборудования.
-
Базируясь на теоретических основах, построены математические модел: для расчета напряженностей ЭМП и энергетических экспозиций на рабочи местах, проведены теоретическая и экспериментальная проверки результате моделирования в производственных условиях.
-
Разработана математігческая модель для расчета электрического поля в биологическом объекте - теле оператора электротермической установки. Проведены исследования влияния ЭМП на операторов ВЧ установок, выработаны методы снижения этого влияния.
-
Проведены полные теоретико-эмпирические исследования облучаемости рабочих мест для электротехнологических процессов, характерных наибольшими излучаемыми ЭМП.
-
Разработаны, ориентированные на практическое использование, классификации методов защиты рабочих мест, а также защитных электромагнитных экранов ВЧ электротермических установок.
-
Предложены к использованию локальные электромагнитные защитные экраны, обоснованы их основные конструкции, разработаны математические модели для расчета характеристик данных конструкций, проведена верификация результатов моделирования в производственных условиях.
-
Проведена апробация результатов исследования в производственных условиях и выработаны рекомендации по защите рабочих мест от электромагнитного облучения с учетом специфики ВЧ электротермического оборудования.
На зашиту выносятся следующие основные положения, составляющие научную новизну:
-
Впервые разработанные основы теории анализа электромагнитных излучений и защиты рабочих пест ВЧ электротермического оборудования, базирующиеся на требованиях технологических процессов ВЧ нагрева.
-
Обоснование использования метода вторичных источников для расчета электромагнитных процессов при анатазе облучаемости рабочих мест, расчете электромагнитного поглощения в биологических объектах, расчете эффективности локальных электромагнитных экранов.
-
Разработанные математические модели, построенные на основе метода вторичных источников, для расчета электромагнитных процессов: электрического поля внутри биологического объекта (оператора ВЧ установки); электрического и магнитного полей от рабочих конденсаторов ВЧ установок; электрического и магнитного полей от ВЧ индукторов с загрузкой; эффективности локальных электромагнитных экранов индукторов и конденсаторов.
-
Впервые разработанная классификация методов защиты рабочих мест ВЧ электротермического оборудования от электромагнитного облучения, в том числе классификация защитных электромагнитных экранов ВЧ электротермического оборудования, в которую введены локальные экраны рабочих элементов и технологической оснастки.
Практическая ценность работы:
-
Исследованы зависимости мощности, поглощаемой телом оператора, от параметров внешнего ЭМП, от вида напольного покрытия, обувных материалов и одежды. Выработаны рекомендации по снижению этого неблагоприятного влияния.
-
Разработаны алгоритмы и программы расчета напряженностей электрического и магнитного полей, а также времени облучения рабочих мест, ориентированные на использование в практике проектирования и эксплуатации ВЧ электротермических установок. Для процедур численного расчета исследованы условия сходимости и устойчивости решений.
-
Для ряда электротехнологических процессов, характерных наибольшим ВЧ облучением рабочих мест, получены зависимости напряженностей электрического и магнитного полей от характеристик нагреваемых материалов и от конструктивно-технологических параметров рабочих элементов - конденсаторов и индукторов.
-
Разработаны алгоритмы и программы расчета основных характеристик локальных экранов; исследованы: эффективность ослабления ЭМП на рабочих местах, эффективность ослабления радиопомех, степень влияния на колебательные цепи экранированных рабочих элементов.
-
Предложен метод территориального разноса источника ЭМП и рабочего места, реализуемый как самостоятельно, так и в комплексе с локальными защитными экранами.
-
Разработаны рекомендации по анализу облучаемости рабочих мест и методам защиты, ориентированные на практическое использование в условия? производства.
-
Реализация внедренного комплекса методов защиты рабочих мест от В1 электромагнитного облучения позволила обеспечить допустимые условие труда на рабочих местах установок для ВЧ сварки, закалки, плавки, сушки і предварительного подогрева.
Результаты исследований, выполненных в данной диссертационной ра боте, нашли свое отражение в виде "Рекомендаций по эксплуатации высоко частотного электротермического оборудования с учетом требований электро магнитной совместимости и безопасности персонала", утвержденной к ис пользованию во Всероссийском научно-исследовательском институте токо высокой частоты (ВНИИ ТВЧ) им. В.П. Волощина. Результаты работы так же внедрены и использованы в ООО ПО "Киришинефтеоргсинтез", 0А< "Ленморниипроект", 000 "Транс Бот", ОАО "Квернер Выборг Верфь" других. Отдельные пололжения и результаты диссертационной работы нашл отражение в Государственном докладе "О состоянии окружающей природне
среды Российской Федерации в 1999 году", подготавливаемый Государственным комитетом Российской Федерации по охране охране окружающей среды, а также в справочно-аналитическом обзоре "Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области" за 1998 г., подготовленный Государственным комитетом по охране окружающей среды Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Результаты дозиметрических исследований (глава 3 диссертационной работы) нашли свое отражение в последней редакции международного "Справочника по радиочастотной дозиметрии" ("Radiofrequency Radiation Dosimetry Handbook"). Отдельные положения диссертационной работы также используются в учебных процессах: Балтийского государственного технического университета "Военмех", Государственного предприятия дополнительного профессионального образования "Центр охраны труда, промышленной безопасности и социального партнерства", Объединенного Санкт-Петербургского научного центра по фундаментальным проблемам механики жидкости, газа, плазмы, акустики и экологической безопасности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 11-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости - ЕМС-92 (г. Вроцлав, Польша, 1992 г.), на 40-й международной научно-практической конференции по электротехнологиям в промышленности (г. Ильменау, Германия, 1995 г.), на 2-м и 3-м Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии - ЭМС-95, ЭМС-97 (г. Санкт-Петербург, 1995, 1997 гг.), на 1-й и 2-й Международных конференциях "Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования" (г. Москва, 1996, 1999 гг.), на 4-й и 6-й Российских научно-технических конференциях "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" - ЭМС-96, ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1996, 1998 гг.), на заседании школы-семинара "Медико-биологическое действие электромагнитных полей и излучений (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), на 1-м Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й Всероссийских научно-практических конференциях "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (г. Санкт-Петербург, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.), на 2-ой Международной конференции "Экология и развитие Северо-запада России" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на семинаре "Экология морских портов" (г. Пушкин, 1997 г.), на научно-практической конференции "Промышленная экология" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на 2-м Международном конгрессе "Фундаментальные проблемы естествознания" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы и достижения в
области сварки, родственных технологий и оборудования" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на Международном семинаре "Передовые исследования в области дозиметрии радиочастотных излучений" (г. Годз Мартульек, Словения, 1998 г.), на российской конференции "Атмосфера и здоровье человека" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на научно-практическом семинаре "Опыт работы по аттестации рабочих мест по условиям труда и сертификации производственных объектов на соответствие требованиям охраны труда в ООО ПО "Киришинефтеоргсинтез" (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на научно-практических семинарах "Организация работы по аттестации рабочих мест по условиям труда и травмобезопасности" (г. Санкт-Петербург, 1999, 2000 гг.).
Отдельные результаты работы докладывались на заседании сессии Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений (г. Москва, 1999 г.), на заседаниях Русского географического общества, (г. Санкт-Петербург, 1997, 1998 гг.), на заседаниях профессорско-преподавательского состава кафедры "Экология и безопасность жизнедеятельности Балтийского государственного технического университета "Военмех" (1997, 1998, 1999 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы. Основное содержание диссертации изложено в монографии: Рудаков М.Л. "Электромагнитная безопасность в промышленности" - СПб., Политехника, 1999. -91 с, а также в брошюре: Рудаков М.Л. "Электромагнитные поля и безопасность населения" - СПб., Изд-во Русского географического общества, 1998. - 32 с.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 363 страницах машинописного текста, содержит 77 таблиц и 93 рисунка. Список литературы включает 238 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.
