Probabilistic-statistical method for determining ergonomic tolerances of machine-tractor units with a gas-turbine engine

Full Text

Введение Машинно-тракторные агрегаты (МТА) в эксплуатационных условиях подвергаются непрерывно изменяющимся внешним воздействиям [1]. Эффективное использование МТА зависит от установленных оптимальных скоростных и нагрузочных режимов их работы с учетом вероятностного характера внешних воздействий. Наряду с совершенствованием поршневых двигателей отечественными и зарубежными учеными ведутся исследования по эффективности применения на тракторах сельскохозяйственного назначения газотурбинных двигателей (ГТД). Оценке эффективности применения ГТД на тракторах сельскохозяйственного назначения посвящены работы профессоров Н.С. Ждановского, А.В. Николаенко, В.С. Шкрабака, Л.Е. Агеева, А.В. Соминича, Н.И. Джабборова и других ученых [2-7]. Анализ показывает, что ГТД лучше, чем поршневые двигатели, приспособлены к условиям неустановившихся режимов работы. Применение ГТД на тракторах позволяет значительно снизить их удельную металлоемкость. На целесообразность использования ГТД на тракторах указывают комплекс их преимуществ по сравнению с поршневыми двигателями, таких как легкий пуск при низких температурах, сокращение трудоемкости технического обслуживания, снижение стоимости капитального ремонта, меньшие значения массы и габаритных размеров. Анализ исследований показывает, что недостаточно изучены вопросы обоснования эргономических параметров и их влияния на показатели эффективности функционирования МТА с газотурбинными двигателями. Существенное влияние на эффективность работы МТА и качество выполнения технологических процессов оказывают эргономические параметры. Эргономические параметры позволяют оценить приспособленность рабочего места оператора и в целом МТА для наиболее безопасного и эффективного труда исходя из физических и психофизиологических особенностей человеческого организма. Основными факторами, влияющими на условия труда механизатора-оператора МТА, являются микроклимат, состояние воздушной среды и уровень шума в кабине трактора. Эти показатели оценивают по температуре, влажности и другим параметрам. Результаты наших исследований по оценке микроклимата в кабине тракторов показывают, что они являются не всегда удовлетворительными по температуре воздуха и неудовлетворительными по влажности воздуха. Установлено, что превышение температуры воздуха в кабине по отношению к наружной составляет 4…6°С, при этом величина уровня шума превышает допустимые значения на 3…5 дБ. Как показывают наши исследования, фактические условия труда механизаторов существенно отличаются от принятых норм. Превышение нормируемых эргономических параметров приводит к преждевременной усталости операторов МТА и снижению производительности труда. При длительной работе в подобных условиях, можно сказать, повышенной опасности для здоровья, увеличивается риск преждевременного приобретения профессиональной заболеваемости. Результаты настоящих исследований должны учитываться при разработке требований охраны труда к перспективным энергонасыщенным тракторам с газотурбинными и другими типами двигателей. Таким образом, особую актуальность представляет проблема обоснования оптимальных и допускаемых значений эргономических параметров МТА. В связи с этим возникла необходимость в разработке вероятностно-статистического метода определения допустимых значений эргономических параметров (или эргономические допуски) МТА с ГТД. Цель исследования Целью исследований является разработка вероятностно-статистического метода определения эргономических допусков машинно-тракторных агрегатов (МТА), оснащенных тракторными газотурбинными двигателями. Эргономические допуски предназначены для непрерывного контроля и оценки эргономических параметров, обеспечивающих безопасность и улучшение условий и охраны труда оператора МТА. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Предложенный метод разработан на основе системного анализа и методах сбора и обработки информации, математического моделирования. При этом также использовались действующие государственные стандарты ГОСТ 26387-84 «Система "Человек - машина", ГОСТ Р ИСО 15005-2012 «Эргономика транспортных средств. Эргономические аспекты информационно-управляющей системы транспортного средства. Принципы управления диалогом и процедуры проверки соответствия», ГОСТ Р ИСО 15534-1-2009 «Эргономическое проектирование машин для обеспечения безопасности. Часть 1. Принципы определения размеров проемов и доступа всего тела человека внутри машины, исходные эргономические требования и эргономического обеспечения». Эргономические параметры МТА делятся на следующие основные группы: антропометрические, гигиенические, физиологические и психологические. Номенклатура эргономических параметров МТА в основном определяются нормативно-технической документацией, в том числе и государственными стандартами, приведенными в разделе «Материалы и методы» настоящей статьи. Основными количественными характеристиками допусков на эргономические параметры МТА (или эргономические допуски) являются: установочные допуски на уровень настройки, установочные допуски на точность настройки и контрольные допуски (рис. 1). Установочный допуск, на уровень настройки, основанный на сравнении среднего значения с номинальным значением УН эргономического параметра, определяет уровень настройки МТА по данному параметру. Установочный допуск является основным при оценке стабильности эргономических параметров МТА в процессе их использования при выполнении технологических процессов. Установочный допуск на точность настройки МТА по эргономическому параметру представляет собой разность между фактическим σУ и фиксированным (заданным) σУН значениями средних квадратических отклонений. Установочный допуск учитывает точность настройки МТА по эргономическому параметру. Контрольный допуск (или поле допуска) устанавливает ограничения на неравномерность изменения эргономических параметров и может быть односторонним или двусторонним, в зависимости от закономерности их изменения. 1. Установочный допуск на уровень настройки по эргономическому параметру МТА с ГТД представляет собой алгебраическую разность: , (1) где УН, - номинальное (базовое) и выборочное среднее значения эргономического параметра МТА с ГТД. Установочный допуск определяет уровень настройки МТА с ГТД по контролируемому эргономическому параметру и характеризует его степень реализации в конкретных эксплуатационных условиях. 2. Установочный допуск на точность настройки МТА с ГТД по эргономическому параметру определяется по формуле: , (2) где σУН, SУ - номинальное (базовое) и выборочные значения среднего квадратического отклонения эргономического параметра МТА с ГТД. 3. Контрольный допуск (поле допуска) определяется из выражения: - односторонний: ; (3) - двусторонний: , (4) где LB, LH - верхняя и нижняя предельные границы эргономического допуска; - установочный допуск на уровень настройки МТА с ГТД по эргономическому параметру. В расчетах установочных допусков применяется метод доверительных границ [1], а при определении контрольных допусков - метод толерантных пределов, в которых помещается заданная часть признака или доля всей совокупности значений эргономического параметра с вероятностью γ, где q - доля значений параметра вне зоны допуска . С учетом выражений (1)-(4) допуски на эргономические параметры МТА определяются по формулам, приведенным ниже. 1. Установочный допуск на уровень настройки: - односторонний допуск при n > 30: ; - двусторонний допуск при n < 30: , (5) где , - квантили нормального закона распределения, определяемые по таблицам справочной литературы [8]; n - объем выборки. По выборочным данным при определении уровня температуры на рабочем месте механизатора (оператора МТА): ; ; n = 50; γ = 0,95 из формулы (5) находим: или . 2. Установочный допуск на точность настройки: - односторонний при n > 30: ; - двусторонний допуск при n < 30: , (6) где γ - доверительная вероятность. Для предыдущего примера из формулы (6) находим: 3. Контрольный допуск : - односторонний: нижняя граница: ; верхняя граница: ; - двусторонний: , (7) где Кγ - коэффициент, определяемый при фиксированных значениях γ, n и . При = 0,95 из формулы (7) получаем: или , то есть с вероятностью 0,95 значений параметра, а 5 % - превышение зоны допуска. Оптимальные значения допусков эргономических параметров, соответствующие эффективному функционированию МТА с ГТД, рассчитываются по формулам: - установочный допуск на уровень настройки: ; - установочный допуск на точность настройки: ; - контрольный допуск: , где - экстремальное (оптимальное) значение эргономического параметра МТА с ГТД; - экстремальное (минимальное) значение среднего квадратического отклонения эргономического параметра МТА с ГТД. В качестве основных критериев оптимизации допусков на эргономические параметры МТА можно рассматривать регламентированные государственными стандартами уровни эргономических параметров: допускаемый уровень безвредности, требуемый уровень комфорта на рабочем месте оператора МТА, минимальный уровень токсичности, вибрации, шума, запыленности и т.д. [9-11]. Выводы 1. Апробированная система допусков на агротехнические и энергетические параметры, а также технико-экономические показатели средств механизации показывает, что строгое их соблюдение гарантирует эффективное и качественное функционирование МТА. 2. Предложенный метод обеспечивает определение и оптимизацию эргономических параметров МТА с ГТД с учетом вероятностного характера их изменения в конкретных условиях их эксплуатации. Эргономические допуски представляют диапазон изменения эргономических параметров, при котором обеспечивается безопасный и эффективный труд оператора МТА. Литература Рис. 1. Классификация допусков на эргономические параметры МТА по назначению

About the authors

V. S Shkrabak

Saint-Petersburg state agrarian university, St. Petersburg

Email: v.shkrabak@mail.ru
DSc in Engineering

N. I Dzhabborov

The Federal State Budgetary Scientific Institution the «Institute for agroengineering and environmental problems in agricultural production»

DSc in Engineering

References

Supplementary files