Методологические основы проектирования специальной одежды для работников металлургической и металлообрабатывающей промышленности

Актуальность проблемы. Разработка и изготовление спецодежды играют немаловажную роль, так как наметился подъем и рост производства металлургической промышленности страны. Создание предпосылок проектирования специальной одежды для металлургов требует как теоретических проработок, так и базирующихся на них практических решений. При этом важное теоретическое и методологическое значение имеют работы западных ученых — М. Брасса, Д. Камино, С. Боврбигов Р.Делобел.

Теоретические и практические аспекты данной проблемы нашли отражение и в работах ученых стран СНГ — Е. Кобляковой, Е. Меликова, В. Романова, И. Савельевой, Е. Сурженко, З. Чубаровой и др.

В результате последних 10 лет сложилось критическое положение с обеспечением рабочих, как, в общем, всех отраслей промышленности, так и, в частности, металлургов качественной спецодеждой. Это явилось весомым звеном в комплексе нерешенных проблем по охране труда, которые привели к увеличению числа случаев травматизма и профессиональных заболеваний. Так, например, по данным Министерства труда РФ, в черной металлургии в неблагоприятных условиях труда занято 36,8% работающих, в цветной — 32,1% [1].

Вопросами разработки специальной одежды занимается ОАО Центральный научно-исследовательский институт швейной промышленности (ЦНИИШП) (Россия), но их научные разработки и опыт востребованы ограниченно. Однако специалисты лаборатории продолжают вести поисковые работы по всем направлениям создания спецодежды. К сожалению, в Казахстане до настоящего времени нет ни одного государственного предприятия, которое бы занималось исследованиями и разработкой создания спецодежды, хотя промышленность Республики развита на высоком уровне.

В 1999 г. был принят закон «Об охране труда в РК» [2,3], направленный на создание условий, соответствующих требованиям сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности. В настоящее время на рынке появилась масса фирм по производству спецодежды, как правило, разрабатывающие продукцию по упрощенным техническим условиям, в которых не регламентируются требования безопасности работающих.

Учитывая выше перечисленное неблагоприятное положение по охране рабочих, государственным органам необходимо повернуться лицом к человеку труда, принять решения по введению обязательной сертификации спецодежды на соответствие нормативной и технической документации и по обязательному лицензированию работодателями постоянных рабочих мест на соответствие требованиям охраны труда. Данный документ будет направлен на создание условий, соответствующих требованиям сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности.

Современный процесс изготовления специальной одежды базируется на малоэффективной и трудоемкой технологии, не обеспечивающей заданного уровня качества и эксплуатационной надежности. В значительной степени это связано с отсутствием в области проектирования спецодежды фундаментальных исследований по разработке высокоэффективных методов проектирования новых композиционных материалов с регулируемыми свойствами, а также теоретических и практических разработок по повышению эксплуатационной надежности и рациональных пакетов проектирования одежды.

Не отвечает эксплуатационным требованиям специальная одежда, изготовленная из синтетических тканей и обработанная огнезащитными антипиренами. Они, по сравнению с суконными тканями, имеют невысокую поверхностную плотность, но при небольшой плотности теплового потока прогорают полностью. Такие ткани, приходят в негодность быстро в течение одного месяца, что делает невозможным их применение для защитной одежды металлургов.

Несмотря на актуальность проблемы, решалась поставленная задача, а именно: проблема повышения эксплуатационной надежности материалов для специальной одежды металлургов, не на должном уровне.

Проведенные нами исследования по предприятиям металлургических заводов РК позволили установить, что на всех предприятиях, в связи с переходом их на частную форму собственности, руководство заинтересовано приобретать специальную одежду по заниженной цене, а, значит, не отвечающую требованиям охраны труда.

При изучении условий труда и топографии износа специальной одежды нами было установлено, что на металлургических заводах поверхностная плотность теплового потока на четыре порядка выше поверхностной плотности теплового потока, регламентируемого ГОСТ 12.4.221−2002. В связи с этим, после эксплуатации металлургом специальной одежды, защитный шерстяной костюм становится полностью непригодным к его повторному применению.

Работа выполнена в рамках заданий комплексного плана улучшения условий и повышения безопасности труда работающих металлургической промышленности и в соответствии с тематическими планами госбюджетных НИОКР АТУ на 2002;2006 гг.

Цель работы состояла в развитии теоретических основ и методологии проектирования новых видов специальной одежды на основе новых композиционных материалов, обеспечивающих повышение качества и эксплуатационную надежность специальной одежды для работников металлургической промышленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— теоретические исследования по развитию методологических основ проектирования специальной одежды, в том числе: теоретическое и экспериментальное исследование физико-механических показателей, воздействующих на спецкостюм рабочего;

— изучение механизма поражения поверхности ткани под воздействием различных поражающих факторов;

— разработка математической модели оптимизации параметров формирования рационального ассортимента спецодежды металлургов;

— разработка теоретических основ горения новых огнезащитных материалов;

— развитие теоретических основ проектирования новых материалов для специальной одежды на основе разработки математических моделей процесса их получения, позволяющих оптимизировать структуру материалов и режимы соединения обработанных тканей, а также проектировать композиционные материалы с заданными свойствами;

— теоретическое обоснование и практическая реализация способа повышения износостойкости отдельных частей костюма на основе изучения топографии его износа;

— оптимизация процесса проектирования рациональных пакетов спецодежды по показателям гигиенических и эксплуатационных свойств на основе разработки имитационной модели «человек — специальная одеждапроизводственная среда», позволяющая проводить комплексную количественную оценку качества специальной одежды с учетом факторов, влияющих на потребительские и технико-экономические свойства.

Объектами исследования являлись условия труда рабочих металлургической и металлообрабатывающей промышленностисуществующие специальные костюмы для металлурговширокий спектр действующих огнезащитных тканей.

Методы и средства исследований. В работе используются: общая методология системного подхода к проектированию спецодеждыметоды математической статистики и теории решения задач в области кинетики разрушения материаловтеория процессов горенияметоды и средства процессов терморазрушения, скоростной и видеосъемки полета расплавленной капли металлаоригинальные методы и средства исследования ряда свойств материалов и пакета одеждыкомпьютерные программы Microsoft Word, Coat.

Научная новизна работы. В работе предложена новая концепция проектирования спецодежды на основе развития теоретических основ процессов горения и методологии проектирования новых видов огнезащитных материалов из отечественного сырья, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства специальной одежды для работников металлургической промышленности.

Впервые получены следующие результаты: теоретически обоснована возможность экономической целесообразности применения новых композиционных материалов, повышающих эксплуатационную надежность спецодеждыраскрыт механизм взаимодействия поверхности материалов, спецодежды с основными поражающими факторами (ОВПФ);

— разработана классификация по признакам ОВПФ;

— разработаны теоретические основы кинетики разложения материала, поверхности костюма;

— разработана информационная система, позволяющая решить проектно-организационные задачи, связанные с формированием оптимального, рационального ассортимента спецодежды металлургов;

— развиты теоретические основы проектирования композиционных материалов для специальной одежды;

— разработаны новые композиционные материалы, позволяющие оптимизировать выбор компонент и композит;

— разработаны способы повышения эксплуатационной надежности специальной одежды на базе спроектированных композиционных материалов;

— разработаны теоретические основы разрушения спроектированных новых огнезащитных материалов, подвергающихся воздействию брызгам расплавленного металла;

— разработан метод решения задач выбора оптимальных гигиенических и эксплуатационных параметров пакета, оценки теплового состояния человека и качества изделий с помощью имитационной модели «человек — спецодежда — производственная среда»;

— разработаны теоретические положения для оценки и прогнозирования эксплуатационной надежности спецодежды металлургов.

Принципиальная новизна разработанных в ходе выполнения работы новых огнезащитных материалов, методов построения конструкций и устройств, а также образцов изделий подтверждается патентами РК на изобретение № 17 854, 17 545, 10 848 заключениями о выдаче предварительного патента от 10.05.06 № 2005/0908.1, от 29.05.2006 № 2005/1257.1 и № 618 на промышленный образец.

Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе теоретических положений и экспериментальных исследований диссертационной работы созданы специфические положения информационного, методического и технического обеспечения процесса проектирования специальной одежды, в целом, и огнезащитных композиционных материалов с регулируемыми свойствами, в частности, а также прогнозирования оценки их свойств и теплового состояния человека.

Апробация разработанных новых видов огнезащитных тканей из отечественного сырья проведена на суконном комбинате АО «Каргалы» (Алматы). Технология изготовления новых специальных защитных костюмов для металлургов апробирована на ТОО швейная фабрика «НИКА» (Алматы). Положительные отзывы на внедрение новых специальных костюмов получены непосредственно от потребителей — металлургов на ВНИИцветмет (Усть-Каменогорск). Реализация результатов диссертационной работы показала положительные результаты.

Научно-теоретические и практические выводы, обоснованные в диссертационном исследовании, используются при подготовке специалистов по технологическим специальностям швейного производства в АТУ, а именно: при разработке Государственных общеобязательных стандартов образования РК «Образование высшее профессиональное. Бакалавриат. Магистратура. По специальности 50 726 Технология изделий и товаров текстильной и легкой промышленности», при разработке авторских курсов «Специальная технология», «Компьютерное моделирование одежды», «Методы и средства исследований».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на 1-ом Инновационном Конгрессе Казахстана «Взаимодействие вузовской, академической, отраслевой науки с институтами развития и бизнесом» (Алматы, 2004 г.) и следующих международных научно-практических конференциях:

— «Проблемы и перспективы развития современных технологий в легкой и текстильной промышленности» (Алматы, 2000 г);

— «Инновационные технологии: теория и практика» (Алматы, 2004 г.);

-«Стратегия развития пищевой и легкой промышленности» (Алматы, 2004 г.);

-«Пути повышения конкурентоспособности и безопасности продукции пищевой и легкой промышленности» (Алматы, 2005 г.);

-«Современные проблемы и инновации в области экономики и технологии» (Алматы, 2005 г.);

-«Актуальные вопросы образования и науки в области экономики, технологии и информационных систем в XXI веке» (Алматы, 2006г);

-«Инновационные технологии как инструмент повышения конкурентноспособности продукции и услуг» (Алматы, 2006г);

-«Дни науки -2006» (Днепропетровск 2006г);

— IV Международной симпозиум «Физика и химия углеродных материалов/Наноинженерия» (Алматы 2006г).

Разработки спецодежды для рабочих металлургической и металлообрабатывающей промышленности экспонировались на выставке «Образование и карьера 2006» и отмечены почетной грамотой.

Публикации. Всего по материалам диссертации опубликовано более 50 работ во всесоюзных и казахстанских журналах, межвузовских сборниках научных трудов и других изданиях, одном каталоге-справочнике, представлены предпатентами на изобретения и промышленные образцы.

Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов. Постановка задач, выбор методов и направления исследований, анализ и обобщение полученных результатов, теоретические положения и выводы диссертации принадлежат автору. Проведение экспериментальных исследований в области испытаний и получения новых композиционных огнезащитных материалов осуществлялись автором, а также магистрантами специальности «Технология и конструирование швейных изделий» непосредственно под ее руководством или при ее участии. Автор также принимал участие в конструкторско-технологической подготовке промышленного производства, в организации и анализе результатов опытной носки разработанных спецкостюмов для металлургов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Основная часть диссертации изложена на 319 страницах машинописного текста, в число которых входят 68 рисунка и 41 таблиц.

Список использованных источников

включает 189 наименований. Приложение представлено на 38 страницах.

Выводы.

1. На основе проведенных исследований в части топографии износа существующей спецодежды металлурга недостаточно решить вопрос о целесообразности как всего костюма, так и локальной защиты в области передних половинок полочек, брюк, рукавов за счет применения новых, огнезащитных и жаропрочных композиционных материалов, исключающих возможность возникновения прожига даже в том случае, когда расплавленный металл длительное время вплоть до полного охлаждения находится на материале, без разработки усовершенствованной модельной конструкции для рабочих — металлургов конкретных видов деятельности.

2. Проведены исследования влияния угла наклона и формы соответствующей части одежды на ее защитные свойства, учитывая основную позу плавильщика. Из анализа фотометрических данных выделяются четыре участка с минимальным углом, а = 40 °: первый в области плечевого шва, второй в области локтевой кости левой руки, третий в области локтевой кости правой руки и четвертый в области бедра правой согнутой ноги. Расчет времени пребывания частиц на поверхности защитного костюма, если известны ускорение расплавленной капли а, длина пути этой капли Ь, проводился по формуле: т —л12Ы а.

3. Разработана методика определения температуры на изнанке новых материалов в зависимости от времени и места пребывания частицы на примере жидкой меди, позволяющая прогнозировать степень эксплуатационной надежности спецодежды металлурга в зависимости от постоянных величин и разности температур по формуле:

I — (г — х).

ИЗ М Л| ь о / ^.

Анализируя полученные данные по всей поверхности костюма, видно, что время пребывания частицы металла на поверхности материала и температура на его изнанке уменьшаются с увеличением угла наклона соответствующей части одежды. С увеличением длины части одежды, в предположении, что металл продвигается по всей этой длине, время продвижения металла по поверхности и соответствующая температура на изнанке увеличиваются. Максимальная температура при заданных условиях достигает 220 °C. Но, учитывая, что костюм рабочего состоит из пакета огнезащитных тканей, температура на изнаночной стороне пакета не превысит допускаемых норм, а именно 45 ° С.

4. Предложенные принципы учета основных движений металлургов и способы построения функциональных конструкций основных элементов спецодежды реализованы при проектировании спецодежды металлургов разных профилей работ (костюмы для плавильщиков, разливщиков и паяльщиков). Новизна технических и художественно-конструкторских решений изделия предпатентом на промышленный образец (№ 618 опубл. 16.10.2005.).

5. Внедрение методических разработок автора в практику реального проектирования позволило обеспечить снижение материальных и трудовых затрат на разработку исходных модельных конструкций специальной одежды. Лабораторные и натурные испытания разработанных изделий, по результатам их опытной носки на предприятиях металлургической промышленности, свидетельствуют об эффективности предлагаемого подхода к проектированию спецодежды, достижения реального улучшения ее эксплуатационных свойств.

6. На основе практического опыта по автоматизированному проектированию в системе COAT определен основной состав проектных процедур в проектировании исходных модельных конструкций спецодежды для металлургов. Установлена, обязательная необходимость автоматизации этапа конструирования БК и ИМК для владеющего сквозным проектированием конструктора, так как этот этап является легко формализуемым.

Заключение

.

1. Анализ различных литературных и патентных источников показал, что проблеме повышения эксплуатационной надежности специальной одежды для рабочих металлургической промышленности уделялось недостаточное вниманиеглавные причины преждевременного их разрушения не были установлены.

2. Главным результатом работы является новый подход к процессу проектирования специальной одежды для металлургов? основанный на методологии, включающей теоретические и практические положения о теплофизических явлениях на границе сред, возникающих в условиях работ металлурга.

3. Проведены теоретические исследования механизма взаимодействия и разрушения поверхности спецодежды частицами расплавленного металла в зависимости от размера частиц, скорости их перемещения, от теплофизических свойств расплавленного металла, а также от структуры и состава самого материала. В то же время, повреждение поверхности ткани можно объяснить с точки зрения кинетики разложения веществ, находящихся на поверхности материала костюма, на основе явления линейного пиролиза. Установлено, что для рассматриваемых материалов перемещение продуктов деструкции происходит, главным образом, в газовой фазе.

4. Предложена новая концептуальная постановка задачи для увеличения защитных свойств специальной одежды металлургов путем нахождения методов уменьшения адгезии расплавленных металлов к поверхности материалов, как основного поражающего фактора. При этом необходимым условием является нахождение такого набора веществ, которые обладали бы свойствами, обеспечивающими получение относительно гладкой поверхности, с одной стороны, с другой стороны — нахождение веществ, которые обеспечивали бы низкую адгезию к расплавленному металлу за счет создания активной газовой прослойки между расплавленной частицей и поверхностью материала, что позволяет уменьшить не только теплопроводность последнего, но и время пребывания капли на поверхности.

5. Разработано устройство, имитирующее модель расплавленной капли, которая поражает поверхность ткани, расположенной под некоторым углом, что позволяет определить основные параметры поражающие воздействий.

6. Разработаны классификационные признаки основных и вредных производственных факторов, воздействующих на металлурга, позволяющих упорядочить структурированное описание различных видов воздействий на рабочего.

7. Разработана информационная структура геометрической модели формирования рационального ассортимента спецодежды для металлургов, зависящая от совокупности комплексов.

8. На основе геометрической модели формирования рационального ассортимента спецодежды разработаны алгоритмические модели проектирования специальной одежды, обеспечивающие функционирование целостной многоуровневой системы проектирования спецодежды.

9. На основании экспериментальных исследований и теоретических обобщений показано, что предохранение ткани от контакта с жидким металлом, возможно путем нахождения таких компонентов, составляющих огнезащитные композиции, которые предотвращают поражение поверхности костюма за счет протекающих в них процессов термохимических превращений: карбонизации и вспучивания.

10. Получены несколько разновидностей огнезащитных тканей с пропитками, рекомендованных для изготовления специальной одежды как в качестве основной ткани СшП-1, так и в качестве защитных накладок КТП, на которые имеются предпатенты на изобретения № 17 545 опубл. 16.05.2006, № 17 854 опубл. 15.08.2006 и положительное заключение о выдачи предпатента № 2005/1257.1 от 29.05.2006.

11. Разработано устройство для определения прочности соединения огнезащитного состава с тканью, позволяющее оценить качество новых огнезащитных тканей.

12. Разработаны структуры новых композиционных материалов для защитной одежды, исключающих необходимость применения тканей, не удовлетворяющие защитным требованиям костюма металлурга.

13. Исследовано влияние угла наклона и формы соответствующей части одежды на ее защитные свойства, что позволяет определить количественно значение температуры на изнаночной стороне ткани.

14. Разработаны усовершенствованные конструкции спецодежды для металлургов разных профилей работ, применительно к использованию новых огнезащитных материалов в системе автоматизированного проектирования COAT (автоматизированное проектирование одежды).

15. Разработано оригинальное художественно-конструкторское решение моделей спецодежды для металлургов, новизна которых подтверждается предпатентом на промышленный образец № 618 опубл. 16.10.06. Опытная эксплуатация изделий показала высокий уровень их функционально-эксплуатационного соответствия потребительским ситуациям.

16. Внедрение огнезащитных костюмов имеет экономический эффект, выражающий качество готовой продукции и снижение материалоемкости изделий. Основные положения работы внедрены в учебный процесс.