Эргономические характеристики и средства обеспечения благоприятных условий труда на сельскохозяйственной технике

Введение

Развитие агропромышленного  комплекса Российской Федерации  предусматривает устойчивый рост сельскохозяйственного производства за счет повышения производительности и безопасности труда на предприятиях всех форм собственности, которые непосредственно зависят от ускорения научно-технического прогресса, улучшения условий труда и снижения травматизма операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения при выполнении ими основных технологических процессов в агропромышленном комплексе (АПК) России.

Следует отметить, что в отрасли  сельского хозяйства удельный вес  травматизма с летальным исходом среди операторов мобильных сельскохозяйственных машин составляет около 13 % от всех погибших на производстве, а из общего числа травмированных водителей, в среднем, в 78 % случаев совершения ими опасных действий происходили по вине самих водителей. Одной из причин такого положения является недостаточная изученность факторов опасности при выполнении технологических процессов (предпосевная обработка почвы, уборка урожая, транспортировка грузов и пассажиров и др.).

Процесс трудовой деятельности механизатора, с позиции безопасности его труда, можно рассматривать как систему  «оператор-машина-среда», то есть - как  сложную кибернетическую систему  со многими прямыми и обратными связями.

Улучшение условий труда и снижения травматизма операторов мобильных колесных сельскохозяйственных машин при выполнении технологических процессов в АПК является сложной проблемой, так как ее решение находится на стыке технических, экономических, биологических, психологических и целого рядя других наук. Проблема обеспечения операторов безопасными безвредными условиями труда с целью снижения травматизма в технологическом процессе сельскохозяйственного производства, требует учета совместного функционирования биологического (человека) и технического (машины) объектов.

Низкий уровень безопасности технологического процесса в АПК усугубляется еще и тем, что средства безопасности, устанавливаемые на сельскохозяйственные машины, разрабатываются без учета физиологически предопределенной вероятности принятия оператором ошибочных действий. Кроме того, отсутствует возможность отключения указанных средств безопасности в случае увеличения трудоемкости обслуживания системы или узла.

1. Эргономические характеристики  и средства обеспечения благоприятных условий труда на сельскохозяйственной технике

Интенсификация труда в сельском хозяйстве и конкурентная борьба на рынке сбыта промышленной продукции — два фактора, стимулирующих развитие эргономики в данной отрасли. Не менее существенно и то, что около 75% населения земного шара не являются жителями промышленно развитых стран. Из этого числа 80 — 90% людей работают в сельском хозяйстве.

Во многих странах  достигнуты существенные результаты в эргономическом проектировании, использовании и обслуживании сельскохозяйственных машин и оборудования, обеспечении безопасности труда, профессионального отбора и обучения.

О комплексных эргономических разработках сельскохозяйственных машин можно составить определенное представление, ознакомившись с самоходными зерноуборочными комбайнами фирмы "Клаас" (Германия). Они оснащены кабиной с полностью остекленной передней панелью. Тонированное (светло-голубого цвета) отражательное стекло установлено с небольшим наклоном вперед, массивные вертикальные стойки в поле зрения комбайнера не попадают. При работе в условиях атмосферных осадков оптимальная обзорность обеспечивается круговым стеклоочистителем, обрабатьшающим более 70 % площади переднего стекла. При недостаточном освещении и в темное время суток используется шесть фар.

Комфортные условия  на рабочем месте комбайнера обеспечены эффективной вибро- и шумоизоляцией (кабина установлена на четырех резинометаллических прокладках — сайлент-блоках), кондиционированием воздуха. Оптимизированы форма и размещение органов управления: рычаг, находящийся по правую руку от комбайнера, позволяет одной рукой управлять всей гидравлической системой комбайна. На нем сгруппированы все органы управления системой.

Особое внимание уделено  информационным и контрольным приборам. Главный комплекс контрольных приборов, снабжающих оператора информацией о работе двигателя и ходовой части комбайна, вмонтирован в рулевую колонку непосредственно за штурвалом. По правую сторону от колонки размещено контрольное табло, информирующее о функционировании жатки и других агрегатов комбайна: транспортеров, молотилки, копнителя и др. Использование на зерноуборочном комбайне бортового компьютера позволяет быстро и точно определять такие параметры, как производительность машины, суммарная обработанная площадь в гектарах, время работы и др.

Сложной задачей является создание сидений для сельскохозяйственных машин. Интересна концепция рабочего сиденья для сельскохозяйственной техники фирмы "Граммер" (Германия). Она основана на том, что поза сидя для человека не вполне естественна. Исторически она сформировалась сравнительно недавно. В результате скелет, позвоночник, мышцы и внутренние органы сидящего человека функционируют зачастую в ненормальных условиях, деформируются и перегружаются, что приводит к утомлению, снижению эффективности труда, а затем и к потере трудоспособности. Положение усугубляется еще больше, когда человек во время работы начинает испытывать вибрацию и толчки (что особенно характерно для колесных тракторов, движущихся по неровной поверхности на сравнительно большой скорости).

Разработка сидений для сельскохозяйственной и других видов мобильной рабочей техники проводилась на основе данных, полученных при обследовании здоровья большого контингента рабочих, т.е. сиденье моделировалось применительно к конкретным физиологическим и психологическим данным. В 1980—1981гг. фирма обследовала 500 трактористов и водителей транспортных и строительно-дорожных машин. Результаты показали, что 14% обследованных испытывают боли в желудке, 45% — в спине, у 40% наблюдалось эпизодическое снижение трудоспособности.

Улучшение рабочей позы достигалось изменением конструкций  сиденья путем включения высокой  спинки и подголовника, профилированных мягких частей и регулируемых подлокотников. Большое число регулируемых элементов — отличительный признак современных сидений для сельскохозяйственной техники. Они позволяют обеспечить водителю удобную позу, соответствующую характеру работы, а также индивидуальным особенностям. Их наличие дает возможность изменять углы наклона мягких частей, высоту установки подголовника и самого сиденья относительно пола кабины. Сиденье может поворачиваться в горизонтальной плоскости (у некоторых моделей они могут совершать даже полный оборот и фиксироваться через каждые 10 градусов), иметь наклон в вертикальной плоскости, равной 7 градусам, при большом крене машины (при пахоте и т.д.).

Эргономисты принимают  участие в разработке концепции кабины как "центра оперативного мышления", в соответствии с которой основной функцией тракториста и водителя сложной машины становится программирование технологического процесса и режима движения агрегата на основе информации, поставляемой устройствами отображения типа мониторов и дисплеев. Мониторные системы устанавливаются на некоторых сельскохозяйственных тракторах, выпускаемых американскими фирмами "Джон Дир", "Интернешнл Харвестер" и др. Это породило своего рода концепцию-спутник "обитаемой кабины", в которой было реализовано представление о среде и интерьере кабины, рассчитанных на тракториста-программиста.

Работа тракториста  или комбайнера приводит к возникновению болезненных ощущений в области шеи и позвоночника (80% фермеров указали на это), вызываемых необходимостью постоянно поворачивать голову и тело для контроля полосы движения, функционирования рабочих органов и качества обработки. Для норвежцев интенсивная телесная моторика — особая проблема, поскольку небольшие размеры, неправильная конфигурация полей и сложный рельеф не позволяют заранее выбрать ту или иную траекторию движения и поддерживать устойчивую рабочую позу, как это бывает на больших равнинных полях.

Ученые решили эту проблему, создав систему больших зеркал, каждое из которых имеет размеры не менее 20x30 см. Опыт показал, что при правильной установке таких зеркал можно легко находить нужный объект и следить за ним, тогда как обычное стандартное зеркало заднего вида требует выбора определенного положения тела и поворота головы для восприятия объекта (небольшое зеркало само становится дополнительным объектом контроля). Большое зеркало прямоугольной формы с хорошо различимой рамкой облегчает трактористу поиск необходимого изображения, создает как бы систему координат. Чтобы можно было легко ориентировать зеркала и уверенно пользоваться ими, рекомендуется их располагать на расстоянии не менее 35 и не более 90 см от глаз водителя. При соблюдении этих условий и приобретении навыков тракторист получает возможность работать в сравнительно устойчивой позе, лучше контролировать технологический процесс и меньше уставать.

Испытания показали, что  без больших зеркал тракторист проводит в положении, обернувшись назад, 42,1% рабочего времени, а при их наличии — всего лишь 0,7%. Таким образом, с помощью несложного устройства почти устраняется одна из главных причин, вызывающих преждевременное утомление и заболевания тракториста, значительно повышается комфорт на рабочем месте. Необходимо только выработать навыки работы с зеркалами (правильно устанавливать их, определяя информативные участки изображения, делать поправки на освещенность и т.п.).

1.1. Усилия, прилагаемые оператором на рабочие органы

Согласно ГОСТ  12.2.111-85 Машины сельскохозяйственные навесные и прицепные. Общие требования безопасности, допустимые  значения  сил  сопротивления  перемещению  органов  управления приведены в табл. 1.

Табл. 1. Допустимые значения сил сопротивления органов управления

Допустимые значения сил сопротивления, преодолеваемых при обслуживании машин - 200 Н.

Допустимые значения сил сопротивления, преодолеваемых при подъеме бортов кузова и пользовании запорными устройствами - по ГОСТ 10000.

1.2. Рабочее место оператора, расположение рабочих органов

Органы управления должны быть сконструированы и размещены  таким образом, чтобы:

1) быть легкодоступными;

2) предотвращать любую  возможность случайного их переключения  или срабатывания в результате  непреднамеренного действия оператора, создавая при этом опасную ситуацию;

3) исключить риск травмирования  оператора;

4) обеспечивать приведение их в действие быстро, исключая любые сомнения со стороны оператора и не требуя применения чрезмерного усилия.

Размеры органов управления, расстояние между ними и максимальные силы сопротивления перемещению должны соответствовать требованиям, установленным нормативными документами.

Конструкция и изготовление органов управления должны исключать  возможность самопроизвольного включения или выключения передач и приводов рабочих органов.

Органы управления могут  быть приведены в действие только после запуска машины. Должно быть предусмотрено средство, препятствующее включению органов управления и систем их высвобождения на стоянке, чтобы исключить несанкционированное движение машины или ее рабочих органов. Это может быть достигнуто блокирующими устройствами, такими как ключи зажигания, блокирующие главные переключатели или приспособления с замками. Запирающиеся кабины могут быть приемлемой защитой для органов управления или систем, расположенных внутри кабины.

Органы управления должны быть четко видимыми и легко различимыми. Для обозначения функционального назначения органов управления применяется символика в соответствии с требованиями, установленными нормативными документами. Допускается применение дополнительных символов, не установленных обязательными требованиями, отражающих специфику назначения и работы машин, установленных на них механизмов, устройств и приборов.

Рукоятки основных (часто  используемых) ручных органов управления, а также основные (часто используемые) педали должны быть расположены в зоне комфорта. Рукоятки вспомогательных ручных органов управления, а также вспомогательные педали должны быть досягаемыми во всех рабочих положениях операторам разного роста, при этом допускается, что оператор может повернуться или наклониться вперед и в стороны.

Рычаги органов управления должны автоматически возвращаться в нейтральное положение, когда оператор их освобождает. Данное требование не относится к органам управления перемещением или другим органам, когда необходимо их застопоренное положение для выполнения специфического требования.

Органы управления электрогидравлической, гидрогидравлической и других аналогичных  систем управления должны быть расположены  в зонах, указанных на рисунке  1.

Рисунок 1 - Рекомендуемые зоны расположения органов ручного управления при электрогидравлической, гидрогидравлической и аналогичных системах управления.

Педали двустороннего  действия должны быть расположены в  зонах, указанных на рисунке 2.

Углы расположения плоскости  рулевого колеса относительно горизонтальной плоскости должны соответствовать требованиям, установленным нормативными документами.

Конструкция рулевого колеса должна обеспечивать регулировку наклона относительно горизонтальной плоскости и по высоте (вдоль оси колонки). Регулировки должны быть бесступенчатыми. Регулировка может проводиться и ступенчато, однако в таком случае количество фиксаций должно соответствовать требованиям, установленным нормативными документами.

Диапазоны регулировок  и количество фиксаций при ступенчатой  регулировке должны соответствовать требованиям, установленным нормативными документами.

Люфт рулевого колеса при работающем двигателе не должен превышать значений, установленных нормативными документами.

Конструкция рулевого управления должна обеспечивать управление движением даже в случае выхода из строя усилителей.

Рисунок 2 - Зоны расположения педалей двустороннего действия

Расположение основных и вспомогательных органов управления для сельскохозяйственных машин с реверсивным постом управления должно соответствовать нормативным документам на конкретные модели машин.

2. Производственная санитария на рабочем месте тракториста

2.1. Климатическая комфортабельность (вентиляция, отопление)

Ненормальные климатические  условия в кабине трактора вредно отражаются на здоровье оператора и являются одной из причин, способствующей возникновению ДТП. Под влиянием повышенной или пониженной температуры в кабине трактора у оператора притупляется внимание, снижается острота зрения, увеличивается время реакции, быстро наступает усталость, появляются ошибки и просчеты, которые могут привести к ДТП или к снижению качества выполнения технологической операции тракторным агрегатом. Установлено, что наиболее приемлемой температурой в кабине трактора является температура 20 ...22ºС. При снижении температуры до 13ºС степень относительной опасности ДТП возрастает в 1,5 раза, а при повышении ее до 27°С — в 1,6 раза.

Одним из требований техники  безопасности и гигиены труда  является исключение возможности проникновения в кабину водителя отработавших газов, которые содержат ряд токсичных компонентов, в том числе оксид углерода. В зависимости от доли оксида углерода в воздухе и длительности работы оператора в такой атмосфере воздействие на оператора бывает различным.

Оксид углерода засасывается в кабину вместе с отработавшими газами при технических неисправностях автомобиля. Лишенный всякого запаха и цвета, оксид углерода в течение длительного времени остается совершенно незаметным. При этом работающий человек отравляется в три раза быстрее по сравнению с человеком, находящимся в состоянии покоя.

Исследования воздушной  среды в кабинах операторов показали, что в отдельных случаях содержание оксида углерода достигает 125 мг/м³, что в несколько раз превышает предельно допустимую концентрацию для рабочей зоны оператора. Поэтому длительное вождение трактора крайне опасно из-за возможности отравления оператора оксидом углерода.

Условия, в которых  человек не испытывает перегрева или переохлаждения, резкого движения воздуха и других неприятных ощущений, можно считать в тепловом отношении комфортными.

Комфортные значения температуры и влажности воздуха, рекомендуемые различными исследователями, несколько отличаются.

В настоящее время  в России микроклиматические условия  на автомобилях и тракторах регламентированы.

В кабине трактора в теплый период года температура воздуха не должна превышать для всех зон 28°С при относительной влажности 40…60%: При этом в теплый период года (температура наружного воздуха 10ºС и выше) для зон с расчетной средней температурой в 13 ч дня самого жаркого месяца до 25 °С температура воздуха в кабине не должна превышать 28 °С. Для зон с расчетной средней температурой воздуха в 13 ч дня самого жаркого месяца 25... 30ºС температура воздуха в кабине не должна превышать 31°С, а для зон с расчетной средней температурой воздуха в 13 ч дня самого жаркого месяца свыше 30ºС температура воздуха в кабине не должна превышать 33ºС.

Перепад температур в  кабине трактора не должен превышать 3ºС, а относительная влажность воздуха — 60%. В районах с повышенной влажностью допускается увеличение относительной влажности на 10%.

В периоды с температурой наружного воздуха ниже 10ºС температура воздуха в кабине должна быть не ниже 14°С.

Направление и скорость движения воздуха в кабине должны регулироваться. Скорость движения воздуха в зоне дыхания оператора не должна превышать 1,5 м/с.

Средневзвешенная температура  всех внутренних поверхностей кабины трактора (за исключением поверхностей стекол и панели, расположенной под щитком приборов) должна быть не выше 35°С.

Устройства системы  вентиляции должны создавать в закрытой кабине избыточное давление не менее 10 Па.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны  кабины трактора регламентируются ГОСТ 12.2.019 — 86, в частности: оксид углерода (СО) — 20 мг/м³; оксиды азота в пересчете на NO₂ — 5 мг/м³; углеводороды суммарные (С_nН_m) — 300 мг/м³; акролеин (C₂H₃CHO) — 0,2 мг/м³.

Температурные условия  и подвижность воздуха в кабинах  тракторов обеспечиваются системами отопления, вентиляции и кондиционирования.

В настоящее время  существуют различные системы вентиляции и отопления кабин и салонов автомобилей и кабин тракторов, отличающиеся компоновкой и конструкцией отдельных узлов. Наиболее экономичной и широко применяемой на современных автомобилях является система отопления, использующая теплоту водяного охлаждения двигателя. Совмещение систем отопления и общеобменной вентиляций кабины позволяет повысить экономичность всего комплекса устройств обеспечения микроклимата в кабине в течение года.

Системы отопления и  вентиляции отличаются в основном расположением воздухозаборника на наружной поверхности автомобиля, типом применяемого вентилятора и его расположением относительно радиатора отопителя (на входе или на выходе из радиатора), типом применяемого радиатора (трубчато-пластинчатый, трубчато-ленточный, с интенсифицированной поверхностью, матричный и др.), методом управления работой отопителя, наличием или отсутствием обводного воздушного канала, рециркуляционного канала и т.д.

Забор воздуха снаружи  кабины в отопитель производится в месте минимальной запыленности воздуха и максимального динамического давления, возникающего при движении автомобиля. В грузовых автомобилях и тракторах воздухозаборник располагают на крыше кабины. В воздухозаборнике устанавливают водоотражательные перегородки, жалюзи и крышки, приводимые в действие изнутри кабины.

Для обеспечения подачи воздуха в кабину и преодоления аэродинамического сопротивления радиатора и воздуховодов используется вентилятор осевого, радиального, диаметрального, диагонального или другого типа. В настоящее время наибольшее распространение получил двухконсольный радиальный вентилятор, так как он имеет относительно малые размеры при большой производительности.

Для привода вентилятора  применяют электродвигатели постоянного тока. Частоту вращения электродвигателя и соответственно рабочего колеса вентилятора регулируют двух- или трехступенчатым переменным резистором, включенным в цепь питания электродвигателя.

От конструктивного  и технологического исполнения теплопередающей поверхности радиатора зависят производительность теплоты отопителя и его аэродинамическое сопротивление. Для повышения эффективности теплоотдачи от радиатора усложняют форму его каналов, по которым движется воздух, применяют различные турбулизаторы.

Решающую роль в эффективном  равномерном распределении температур и скоростей воздуха в кабине играет воздухораспределитель. Насадки воздухораспределителя выполняют различной формы: прямоугольной, круглой, овальной и т.д. Их размещают перед стеклом ветрового окна, вблизи стекол дверей, в центре панели приборов, у ног оператора и в других местах, определяемых требованиями к распределению приточных воздушных потоков в кабине.

В насадках устанавливают  различные заслонки, поворотные жалюзи, управляющие пластины и т.д. Привод к заслонкам и поворотным жалюзи чаще всего располагают непосредственно в корпусе воздухораспределителя.

Компоновка системы  вентиляции и отопления зависит  от конструкций тракторов, кабины, отдельных узлов и их размещения.

В отличие от автомобильных  систем отопления и вентиляции в  тракторах большее внимание уделяется  очистке поступающего в кабину воздуха. Это связано с тем, что при выполнении тракторным агрегатом технологического процесса (обработка почвы) вокруг кабины трактора создается облако пыли. При пахоте, посеве озимых и яровых культур, культивации и бороновании около кабины сельскохозяйственных тракторов весной и осенью преобладает пыль минерального происхождения с частицами размером 1... 5 мкм и с концентрацией вблизи от очага образования до 1400 мг/м³. При этом на транспортных работах запыленность воздуха около кабины трактора значительно ниже.

Экспериментальные исследования, выполненные ФГУП НАТИ на тракторе Т-150К, показали, что запыленность воздуха  на уровне нижней части кабины с  ее боковых сторон достигает 185 мг/м³, спереди — 180 мг/м³, а сзади — 280 мг/м³. Запыленность воздуха на уровне крыши кабины составляет уже 48 мг/м³, а на расстоянии 0,5 м от верха крыши кабины 36 мг/м³.

В настоящее время  получили распространение кондиционеры — устройства для искусственного охлаждения воздуха, поступающего в  кабину (кузов). По принципу действия кондиционеры подразделяются на компрессионные, с воздушной холодильной машиной, термоэлектрические и испарительные.

Автоматическое управление режимом работы отопителя некоторых тракторов производится изменением расхода воды или воздуха через радиатор отопителя. При автоматическом регулировании за счет изменения расхода воздуха параллельно радиатору выполняют обводной воздушный канал, в котором устанавливают заслонку с приводом от электродвигателя.

Как уже отмечалось, важное место в системе вентиляции кабины трактора из-за особенностей условий работы занимает очистка вентиляционного воздуха от пыли.

Самым распространенным способом является очистка вентиляционного воздуха при помощи фильтров из картона, синтетических волокнистых материалов, модифицированного пенополиуретана и др. Однако для эффективного использования таких фильтров, отличающихся небольшой пылеемкостью, с меньшим числом технических обслуживании необходимо снижать концентрацию пыли на входе в фильтр. Для предварительной очистки воздуха на входе в фильтр устанавливают пылеотделители инерционного типа с непрерывным удалением уловленной пыли.

Основные принципы обеспыливания  вентиляционного воздуха основаны на использовании одного или нескольких механизмов осаждения частиц пыли из воздуха: инерционный эффект отделения в эффекты зацепления и осаждения.

Для изготовления фильтров используются материалы органического происхождения и искусственные. К органическим материалам относится хлопок, шерсть. Они имеют низкую термостойкость, высокую влагоемкость. Общим недостатком всех фильтрующих материалов органического происхождения является их подверженность гнилостным процессам и отрицательному действию влаги. К синтетическим и минеральным материалам относятся: нитрон, имеющий высокую стойкость к воздействию температур, кислот и щелочей; хлоран, имеющий низкую термостойкость, но высокую химическую стойкость; капрон, характеризующийся высокой устойчивостью к истиранию; оксалон, имеющий высокую термостойкость; стекловолокно и асбест, отличающиеся высокой термостойкостью, и др.

Высокие показатели пылеулавливаюших, прочностных и регенера-аионных  параметров имеет фильтрующий материал из лавсана.

Широкое применение в  фильтрах с импульсной продувкой  воздуха при регенерации фильтра получили нетканые иглопробивные лавсановые фильтрующие материалы. Эти материалы получают уплотнением волокон с последующей прошивкой или иглопрокалыванием.

Недостатком таких фильтрующих  материалов является прохождение более мелких частиц пыли через отверстия, образованные иглами.

Существенным недостатком  фильтров из любого фильтрующего материала является необходимость их замены или технического обслуживания с целью регенерации (восстановления) фильтрующего материала. Частичная регенерация фильтра может быть проведена непосредственно в системе вентиляции обратной продувкой фильтрующего материала очищенным воздухом из кабины автомобиля или струйной локальной продувкой воздухом от компрессора с предварительной очисткой сжатого воздуха от паров воды и масла.

Конструкция фильтров из тканых или нетканых фильтрующих  материалов для систем вентиляции кабин  должна иметь максимальную поверхность фильтрации при минимальных размерах и аэродинамическом сопротивлении. Установка фильтра в кабине и его смена должны быть удобными и обеспечивать надежную герметичность по периметру фильтра.

В настоящее время  на самоходных машинах в ряде случаев  применяются установки кондиционирования воздуха (УКВ) с парокомпрессионной холодильной машиной в связи с отработанностью их конструкции за рубежом. Используемые в этих установках холодильные агенты - хладоны (фреоны) марок R-12 и R-22 отвечают таким требованиям, как безвредность для организма человека, невоспламеняемость и взрывобезопасность, инертность в отношении металлов и смазочных масел, умеренность давления конденсации в диапазоне рабочих температур УКВ.