Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из наиболее приоритетных направлений модернизации экономики России является машиностроение. Возросшая, в силу увеличивающейся конкуренции и быстро меняющихся потребностей рынка, интенсификация труда, износ оборудования и в ряде случаев недостаточный контроль за безопасностью производственных процессов и технологических операций определяют актуальность постановки и решения вопросов, связанных с охраной труда, обеспечением не только его безопасности, но и комфортности для повышения работоспособности.
Важнейшей из проблем охраны труда на предприятиях машиностроения остается проблема поддержания безопасности и качества воздуха рабочей зоны, ухудшение которых часто обусловлено загрязнением воздушной среды высокодисперсными аэрозольными частицами, отнесенными Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) с 2010 г. к приоритетным опасным и вредным производственным факторам. Доказано (А.В. Глушкова, А.С. Радилов, В.Р. Рем-бовский, G. Oberdorster, A. Peters, P. Penttinen, A. Nel, P.-R. Buseck, К. Adachi, P. Berntsen и др.), что высокодисперсное загрязнение воздуха рабочей зоны представляет особую опасность и напрямую связано с технологическим и техническим перевооружением, в частности, с всевозрастающими скоростями, сложностью и точностью обработки материалов и изделий, с применением не до конца опробованных новых производственных технологий, все более широким внедрением на различных машиностроительных производствах пластмассовых, полимерных и композитных материалов и обрабатываемых деталей из высокопрочных сплавов, в том числе полученных при помощи нанотехнологий.
Наиболее полно современное состояние вопроса по теоретическому и экспериментальному изучению аэрозольного загрязнения в различных производственных условиях отражено в работах В.Н. Азарова, СВ. Белова, М.З. Брауде, Д.Б. Брауна, В.И. Дремова, П.А. Коузова, В.Д. Олифера, Г.И. Ромашева, О.Н. Русака, Е.Я. Юдина и др. В последнее десятилетие исследованиям высокодисперсных аэрозольных частиц посвящены работы Б.Т. Величковского, А.А. Павленко, В. Berlinger, D.H. Brouwer, Y.-H. Cheng, C.F. Clement, K. Elihn, A.D. Maynard, J.H. Vincent и др.
Несмотря на то что результаты таких исследований значительно расширили наши представления о высокодисперсном аэрозольном загрязнении воздуха рабочей зоны, методология его оценки в реальных производственных условиях машиностроительного предприятия еще недостаточно отработана. Кроме того, до сих пор остаются практически не изученными вопросы о характере и особенностях взаимосвязи аэрозольного загрязнения с другими факторами безопасности и качества воздуха рабочей зоны, к которым, в первую очередь, следует отнести его аэроионный состав. Между тем многими исследователями (Р.А. Алик, Л.Л. Васильев, И.А. Гаранина, Н.И. Гольдштейн, Ю.Д. Губернский, А.С. Гуськов, Г.С. Исаев, М.Н. Кондрашова, В.Г. Махоткин, А.А. Минх, A.M. Миронов, В.А. Рогов, В.П. Скипетров, В.В. Смирнов, В.А. Соловьев, Х.Ф. Таммет, А.Л. Чижевский, М.Г. Шандала, М.В. Шепелева, А.А. Шилкин,
R. Gann, I. Kita, A.P. Kraeger, H. Nakane, T. Ryushi, T. Sakurai, F.Y. Sulman и др.) отмечается значимость влияния аэроионного состава как на аэрозольное загрязнение воздуха, так и на напряженность труда, самочувствие работника и его работоспособность.
Необходимость решения проблемы объективной оценки безопасности и качества воздуха рабочей зоны подтверждается также случаями повышения профессиональной заболеваемости, обусловленной воздействием промышленных аэрозолей, даже при соблюдении принятых в настоящее время гигиенических нормативов.
Приведенное описание актуальности проблемы исследований позволяет сформулировать цель настоящей диссертационной работы.
Цель исследований - разработка новых подходов к оценке высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха рабочей зоны на основе установления их взаимосвязи, совершенствование системы разработки мероприятий по улучшению условий труда работников машиностроения.
Основная идея работы состоит в теоретическом и методологическом обосновании мероприятий по улучшению условий труда и эффективному применению аэроионизирующего оборудования на основе установления новых подходов к оценке высокодисперсного аэрозольного загрязнения и определению его взаимосвязи с аэроионным составом воздуха рабочей зоны.
Объекты исследований - аэрозольное загрязнение и аэроионный состав воздуха рабочей зоны, определяемые ими условия труда, аэроионизирующее оборудование и системы как средства коллективной и индивидуальной защиты от воздействия таких факторов.
Предмет исследований - процессы формирования высокодисперсных аэрозолей, разработка критериев их оценки, закономерности их связи с аэроионным составом воздуха рабочей зоны, определение области рационального применения аэроионизирующего оборудования и систем.
Для достижения цели исследований необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Проанализировать условия труда на рабочих местах и идентифициро
вать наиболее характерные производственные операции современного машино
строительного комплекса, связанные с аэрозольным загрязнением и негатив
ным аэроионным составом воздуха рабочей зоны.
Обосновать необходимость учета и определить возможные методы исследования дисперсного состава аэрозольного загрязнения при оценке риска возникновения профессиональных заболеваний.
2. Разработать методологию взаимосвязи аэрозольного загрязнения и
аэроионного состава воздуха рабочей зоны, определить теоретико-
эмпирические решения, связывающие концентрацию высокодисперсных аэро
зольных частиц с концентрацией легких аэроионов.
На основе полученных решений разработать алгоритм моделирования распределения аэрозольных частиц по размерам и метод оценки высокодис-
персной фракции аэрозольного загрязнения с учетом параметров аэроионного состава.
-
Провести апробацию и обосновать достоверность разработанного теоретико-эмпирического аппарата и алгоритма связи высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного состава на примере модельных воздушных сред, рассмотреть условия аэрозольного загрязнения в пределах рабочей зоны и условия распространения загрязнения по производственному помещению.
-
Провести исследования аэрозольного загрязнения и аэроионного состава при выполнении наиболее характерных для машиностроительных предприятий производственных операций, уточнить условия применения гигиенических нормативов их оценки.
-
Обосновать критерии оценки и определить нормативные ограничения аэроионного состава воздуха рабочей зоны на основе исследований аэроионного состава природных воздушных сред.
Разработать принципы организации производственного контроля аэроионного состава воздуха рабочей зоны.
Исследовать аэроионный состав в условиях применения аэроионизирую-щего оборудования и систем, определить основные закономерности его модификации.
6. Определить и классифицировать основные типы и конструкции со
временных средств коллективной и индивидуальной защиты от негативного
воздействия несоответствующего гигиеническим критериям аэроионного со
става.
Разработать способ оценки эффективности и определения области рационального применения аэроионизирующего оборудования и систем.
Разработать и внедрить на предприятиях машиностроения комплекс мероприятий по улучшению условий труда, направленных на снижение негативного воздействия высокодисперсного аэрозольного загрязнения путем применения аэроионизирующего оборудования и систем.
Методы исследований. При решении поставленных задач проводились аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое и физическое моделирование. Определялись и анализировались условия труда на рабочих местах машиностроительных предприятий. Проверка основных выводов проводилась посредством модельных и натурных экспериментов, математической обработки и статистического анализа их результатов. Применялись как установленные нормативные методики проведения измерений, так и разработанные автором. Результаты экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и промышленных условиях, сравнивались с результатами, полученными другими авторами. Осуществлялась практическая проверка разработанных алгоритмов, методик, моделей и технологий в процессе опытного внедрения результатов исследований.
Научная новизна исследований:
-
Впервые научно обоснована необходимость учета электрической подвижности аэроионов при оценке безопасности и качества воздуха рабочей зоны.
-
Впервые обнаружена аномально высокая генерация средних промежуточных аэроионов при использовании электрических коронных аэроионизаторов. Определены оптимальные спектральные распределения аэроионов по подвижности.
-
Разработан косвенный метод оценки высокодисперсного (размер частиц менее 0,1 мкм) аэрозольного загрязнения на основе параметров аэроионного состава.
-
Определены эмпирические зависимости изменения концентраций аэроионов различной подвижности от расстояния до ионизаторов, позволяющие существенно повысить эффективность разрабатываемых мероприятий по улучшению условий труда.
-
Разработан системный подход к оценке эффективности и установлению области рационального применения аэроионизирующего оборудования как средств индивидуальной и коллективной защиты.
-
Создана методология разработки мероприятий по улучшению условий труда, учитывающая особенности пространственного распространения аэрозольного загрязнения и параметров аэроионного состава воздуха рабочей зоны.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационном исследовании, обеспечена применением классических положений теории механики аэрозолей, электрогазодинамики дисперсных систем, коагуляции, физической химии, математической физики, математической статистики и корреляционного анализа; гармоничным сочетанием техники и методов современного физического эксперимента; использованием метрологически достоверных и аттестованных методик выполнения измерений и поверенных (калиброванных) средств измерений; достаточным для статистической обработки объемом полученных результатов теоретических, лабораторных и производственных исследований; согласованностью результатов экспериментальных исследований с теоретическими положениями; получением прогнозируемого эффекта в практическом использовании и положительными результатами внедрения на ряде предприятий.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности использования параметров аэроионного состава как показателей уровней высокодисперсного аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны, физическом и математическом описании процессов их взаимосвязи и модификации.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Проанализированы тенденции изменения и новые технологии современного машиностроительного производства и обоснованы основные опасные и вредные производственные факторы, приводящие к нарушению трудоспособности и возникновению профессиональных заболеваний работников, установлены величины доли выявляемых в ходе осуществления санитарно-
гигиенического производственного контроля нарушений параметров безопасности и качества воздуха рабочей зоны.
-
Разработана методика оценки распределения аэрозольных частиц высокодисперсной фракции на основе измерений характеристик аэроионного состава воздуха рабочей зоны.
-
Предложены новые методические подходы к гигиеническому нормированию аэроионного состава воздуха рабочей зоны, обоснованы основные принципы проведения мониторинга соотношений объемных концентраций аэроионов различных групп подвижности, а также спектрального распределения легких и средних аэроионов.
-
Разработаны, апробированы и внедрены методика выбора точек измерений и способ оценки эффективности аэроионизирующего оборудования и систем, позволяющий обосновывать выбор и определять области их рационального применения при проведении мероприятий по улучшению условий труда.
-
Разработана и реализована экспериментальная схема, сконструирован спектрометр аэроионов, предназначенный для проведения исследований спектрального распределения легких и средних промежуточных аэроионов по подвижности как нестандартизованное средство измерения единичного образца.
-
Впервые с позиции как объемных концентраций аэроионов, так и их спектрального распределения по электрической подвижности получены функциональные зависимости параметров аэроионного состава от особенностей ведения технологических процессов, микроклиматических характеристик, расстояния до излучателей аэроионизирующего оборудования и систем.
-
Разработаны, апробированы и внедрены нормативные и методические документы и рекомендации, позволяющие создать современную систему обеспечения качества воздуха рабочей зоны и безопасности работников в условиях высокодисперсного аэрозольного загрязнения и неблагоприятного воздействия аэроионного состава воздуха производственных помещений.
Внедрение результатов исследований в практику. Результаты диссертационного исследования использованы в нормативном документе государственного уровня, регламентирующем вопросы обеспечения эффективности аэроионизирующего оборудования и методические подходы к оценке такого оборудования (ГОСТ Р 53734.4.7-2012 «Электростатика. Методы испытания для прикладных задач. Ионизация»).
На основании результатов выполненных автором исследований подготовлены методические рекомендации и материалы по обеспечению требований охраны труда, по формированию аэроионного состава воздуха рабочей зоны, соответствующего установленным гигиеническим нормативам, по оценке высокодисперсной фракции аэрозольных загрязнений на основе параметров аэроионного состава. Автор осуществлял контроль их внедрения в практическую деятельность:
в службе охраны труда Ракетно-космического завода Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева»;
на производственных участках плазменной и лазерной резки, лазерной сварки металлов, механической обработки керамических, композитных и полимерных деталей и изделий ОАО «Мотовилихинские заводы»;
на производственных участках лазерной резки, механической обработки, ручной электродуговой и аргонодуговой сварки деталей и изделий и сварки вольфрамовым неплавящимся электродом ЗАО «Третий СПЕЦМАШ»;
на участке сварки цеха нанесения эмалированных покрытий ОАО «Акционерная компания "Лысьвенский металлургический завод"»;
в помещениях различного назначения при борьбе со статическим электричеством и с электризацией высокодисперсных синтетических и полимерных аэрозольных частиц ОАО «Краснокамский завод металлических сеток».
Личный вклад автора. Настоящая работа является обобщением многолетних исследований автора в области комплексной оценки аэрозольного загрязнения и аэроионного состава как параметров качества и безопасности воздуха рабочей зоны. Автором обоснована цель, выбраны основные направления и поставлены теоретические и экспериментальные задачи исследования, определены способы и предложены варианты их решения.
Автором разработаны программа и методика экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, способ оценки высокодисперсного аэрозольного загрязнения на основе параметров аэроионного состава, методика выбора точек измерений и способ оценки эффективности аэро-ионизирующего оборудования и систем как средств коллективной и индивидуальной защиты, методика организации производственного контроля за аэроионным составом, методология разработки мероприятий по улучшению условий труда при высоко дисперсном аэрозольном загрязнении.
Экспериментальный материал получен как лично автором, который выступал научным руководителем и ответственным исполнителем научно-исследовательских работ, так и при участии сотрудников руководимой им группы, лаборатории, а также сотрудников смежных организаций, в которых проводились научные исследования и испытания.
При разработке физико-математических моделей, обработке результатов экспериментальных исследований с использованием современных компьютерных технологий и анализе полученных результатов автором ставились задачи и осуществлялось практическое и методическое руководство.
В опубликованных работах представлены результаты, полученные лично автором и при сотрудничестве с коллегами. Вклад автора значителен - постановка проблем и поиск их решений, обобщение полученных результатов и выводов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы представлены и одобрены на международных, отечественных и межотраслевых конгрессах, конференциях, научных школах, семинарах и совещаниях и др.
Основными из них являются следующие: V Международная научно-практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (Челябинск, 2012); XV Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы техники и технологии» (Технология-2012) (Орел, 2012); XII Всероссийская научно-техническая конференция «Медицинские информационные системы» МИС-2012 (Таганрог, 2012); International Conference «Defence, Science & Research» DSR-2011 (Singapore, 2011); International Conference «Science, Society, Business» (Cyprus, 2011); III Международный научно-технический конгресс (V Международная научно-техническая конференция) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT-2011 (Тольятти - Самара, 2011); Всероссийская научная школа для молодежи «Фундаментальные, клинические и гигиенические основы и аппаратно-методическое обеспечение системы медико-психологической реабилитации пациентов, подверженных высокому уровню напряженности труда и профессионального стресса» (Таганрог, 2011); VI Международная конференция «Качество воздушной среды - потребление, здоровье, экономика» (ВОЗДУХ-2010) (Санкт-Петербург, 2010); Десятая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010); V Международная конференция «Качество воздушной среды» (ВОЗДУХ-2007) (Санкт-Петербург, 2007); Международная конференция «Научно-технические, социальные и экономические проблемы воздушной среды» (ВОЗДУХ-2004) (Санкт-Петербург, 2004); Российская научно-практическая конференция «Охрана труда на рубеже третьего тысячелетия» (Пермь, 2001); Международный экологический конгресс «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000); IV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999); Международная конференция «Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха» (ВОЗДУХ-98) (Санкт-Петербург, 1998); Российская научно-практическая конференция «Современные аспекты и проблемы охраны труда» (ОХРАНА ТРУДА-98) (Пермь, 1998); Международная конференция «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха» (ВОЗДУХ-95) (Санкт-Петербург, 1995).
Автор, являясь доцентом по специальности «Охрана труда» (промышленность), постоянно использует в своей научно-педагогической деятельности материалы и результаты, включенные в настоящую диссертационную работу.
Связь исследований с научными программами. Исследования в данном направлении выполняются с 1994 г. по настоящее время в рамках тематического плана научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Пермского национального исследовательского политехнического университета, в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования России в 2000-2004 гг., в рамках Программы национальной стандартизации в Российской Федерации на 2011 г. (Шифр 1.15 072-1.002.11), а также в рамках Договора от 25.10.2010 г. № 13.G25.31.0093 между ОАО «Мотовилихинские заводы» и Минобрнауки РФ
об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения, заключенного в рамках реализации Постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218. На защиту выносятся:
-
Результаты аналитического исследования условий труда работников машиностроительной отрасли с выделением доминирующих опасных и вредных производственных факторов и новых технологических процессов, связанных с аэрозольным загрязнением и неблагоприятным аэроионным составом воздуха рабочей зоны.
-
Обобщенная классификация аэроионов, базирующаяся на природе внутренних физико-химических связей, обеспечивающих устойчивость того или иного класса аэроионов, и разработанные теоретико-эмпирические выражения, устанавливающие взаимосвязь аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха на основе уравнения аэроионного баланса.
-
Алгоритм моделирования распределения аэрозольных частиц по размерам и косвенный метод оценки высокодисперсного аэрозольного загрязнения, результаты их апробации в предложенных модельных воздушных средах, позволяющих репрезентативно имитировать условия аэрозольного загрязнения непосредственно в рабочей зоне, условия распространения аэрозольного загрязнения по объему производственного помещения от локальных и равномерно распределенных источников.
-
Результаты экспериментальных исследований и эмпирических оценок аэрозольного загрязнения и аэроионного состава, полученные на рабочих местах машиностроительных предприятий при осуществлении работниками производственных операций, характеризующихся высокодисперсным аэрозольным загрязнением (механическая обработка деталей, сварка и резка металлов, плавка металлов, приготовление песчано-глинистой формовочной смеси).
-
Разработанные методика выбора точек измерений аэроионного состава и способ оценки эффективности аэроионизирующего оборудования и устройств как средств коллективной и индивидуальной защиты.
-
Полученные эмпирические выражения концентраций легких аэроионов и особенности спектрального распределения аэроионов по подвижности в зависимости от величины коронирующего напряжения и расстояния до излучателей аэроионизаторов, позволяющие обосновывать выбор и определять области их рационального применения при проведении мероприятий по улучшению условий труда.
-
Методология разработки и типовые мероприятия по улучшению условий труда, направленные на уменьшение высокодисперсного аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны и нормализацию аэроионного состава.
-
Методика организации производственного контроля за аэроионным составом воздуха рабочей зоны.
-
Результаты практического использования основных положений исследования и оценок эффективности реализованных мероприятий по улучшению условий труда.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 43 опубликованных научных работах, из них 16 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России для публикации материалов диссертации на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, главы, в которой представлены обзор и анализ современного состояния изученности проблемы, шести глав, посвященных результатам собственных исследований, заключения, списка литературы, содержащего 412 источников, и приложения, в котором представлены документы по внедрению результатов диссертационных исследований. Общий объем диссертации - 361 страниц, содержит 102 иллюстраций, 47 таблиц.
