Розвиток наукових основ створення високоефективних засобів індивідуального захисту шахтарів

Офіційні опоненти:

На різні види ЗІЗ розроблено наступні нормативні документи, які погоджено і затверджено у встановленому порядку:

- на захисну каску, спецодяг для крутопадаючих пластів і на наколінники - технічні умови (ТУ У 25.2-32087543, ТУ 17 України 14-14-93 і ТУ У 25.1-22721757-009:2007);

- на зносостійку антистатичну тканину з додаванням металевих волокон і засіб захисту рук від удару - вихідні технічні вимоги;

- на рукавиці антивібраційні, спецодяг і спецвзуття для гірників, що працюють на малопотужних пластах - технічні завдання на виріб;

- на ЗІЗ з розпізнавальними знаками зі світловідбивних волокон - керівний документ КД 12.07.001-2001 і галузевий стандарт СОУ 10.100174088.014:2008;

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, 39 додатків, списку використаних джерел з 272 найменувань. Загальний обсяг дисертації 422 сторінки, з них основна частина - 268 сторінок, містить 40 рисунків (3 - на окремих сторінках) і 92 таблиці (37 - на окремих сторінках).

Одним із основних аспектів обґрунтування перспективних напрямів у питаннях розроблення, оцінки безпеки та якості шахтарських ЗІЗ є встановлення діапазону необхідного захисту у групах від механічних факторів: удару, тиску, тертя та вібрації. Інтенсивність дії механічного фактора визначалася тяжкістю травмування працюючого. Дослідження структури травматизму за анатомо-топографічними зонами показало, що найбільш травмованими є (випадки травм на 100 працюючих): кисть і пальці кисті (1,5), голова (1,01), гомілка (0,9), хребет (0,63). Травмування робочих очисних вибоїв на пологих пластах склало 53,7%, тоді як на крутих - 76,1%, за рахунок більшої висоти падіння травмувального предмету. Найбільша кількість травм голови припадає на роботи, пов'язані з видобутком (49% - пологі та 62% - круті пласти), найменше - під час проведення прохідницьких робіт (9-18%). Показники травматизму гірників під час розроблення малопотужних пластів більше, ніж в 3,5 разів перевищують травматизм у шахтарів, що працюють в положенні стоячи (відповідно 0,75 та 0,21 випадок на 100 працюючих).

Таблиця 1. Класифікація контингенту шахтарів за умовами праці

Примітка. НО - виробки не обводнено; О - виробки обводнено.

Основними причинами травмування шахтарів є обвалення грудок породи та вугілля, рушійні частини машин та механізмів, падіння людей, рельсовий транспорт. Під час обґрунтування критеріїв кількісної оцінки захисту анатомо-топографічних зон тіла шахтаря від механічних факторів виходили зі встановлення тяжкості пошкоджень, що дозволяє оцінити ризик травмування шахтарів під час робіт у різних гірничо-геологічних умовах. Встановлено, що гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови 1-ої, 3-ої та 4-ої груп під час виконання виробничих операцій зумовлюють робочу позу «стоячи, випрямившись»; 2-ої, 5-ої та 6-ої груп - вимушені пози, що обмежені висотою виробки. При цьому отримано кількісні залежності маси травмувального об'єкту від величини переданої енергії під час робіт у гірничих виробках різної потужності (табл. 2). За результатами досліджень розраховано необхідні рівні захисту різних анатомо-топографічних зон.

У третьому розділі наведено результати досліджень закономірностей ризику травмування голови гірників вугільних шахт механічними факторами у всіх 6 групах. Визначено основні властивості шахтарських касок, що характеризують ступінь захисту голови працюючого.

Експериментальні дослідження стійкості та амортизаційної здібності до вертикального ударного навантаження визначалися випробуванням касок щодо ударної міцності (руйнування) вертикально спрямованими ударами вантажу з енергією 80-180 Дж. Аналіз результатів проведених досліджень показав малу інформативність показників механічної міцності каски, регламентованих діючими нормативними документами з точки зору оцінки ризику травмування голови шахтаря, оскільки вони зводяться лише до визначення здатності нею перерозподіляти і поглинати енергію удару.

Таблиця 2. Кількісні залежності тяжкості пошкоджень анатомо-топографічних зон тіла гірника від маси травмувального об'єкту (кг) під час робіт у гірничих виробках різної потужності (м)

Результати експериментів, проведених з касками, що традиційно застосовуються у вугільній промисловості (Шахтар, ШЗ), так і знов розробленою (ЗКЗП) (рис. 2а), дозволяють зробити висновок про те, що остання витримує навантаження вертикального удару (Е₀), що дорівнює 160 Дж без руйнування конструкції і матеріалу при нормованій величині 80 Дж, що свідчить про високі показники її механічної міцності. Проте, вже при Е₀=140 Дж і вище, передана на макет голови енергія вертикального удару (Е_пер) досягає величини 45 Дж, призводячи до руйнування кісток черепу. Амортизація каски при вказаних енергіях удару залишається на досить високому рівні (А=75%), що свідчить про її здатність перерозподіляти та поглинати енергію удару.

На рис. 3 представлено результати розрахунку 90 % довірчого інтервалу для оцінки величини енергії, що призводить до перелому кісток черепа та граничні значення цього інтервалу.

За результатами досліджень встановлено, що найбільш інформативним показником, що дозволяє обґрунтувати залежність тяжкості травмування голови від величини діючої енергії з метою прогнозування необхідного рівня її захисту та оцінки ефективності каски є енергія, що передана на голову людини, яка розраховується за формулою:

Е_пер= Е₀ - К, (4)

де Е₀ - діюча енергія удару, Дж;

К - поглинання енергії удару, Дж.

Формула справедлива при Е₀ >0 та Е₀ > К.

Виявлений кореляційний зв'язок (r=-0,957) між енергією, переданою на макет голови та жорсткістю корпусу каски (С), дозволяє зробити висновок про те, що жорсткість є одним із параметрів, що впливають на величину поглинання енергії удару. Розрахунок цього показника зводився до експериментального одержання діаграми руху (падіння та відскоку) випробувального вантажу у координатах «дорога-час» і розраховувався за відомою формулою:

,(5)

де G - маса падаючого вантажу, кг; m - маса каски, кг; Н - повна висота падіння вантажу, м; h - висота відскоку вантажу, м; ₀ - тривалість відскоку та падіння, с; _п - тривалість прогину, с.

Жорсткість, поглинання енергії удару та енергія, що передається каскою на голову, розглядається та оцінюється відомими методиками, як підсумковий результат взаємодії основних ланок каски - корпусу і внутрішнього оснащення. Такий підхід не дозволяє розрахувати перерозподіл поглинання енергії між ними, а отже, і оцінити ефективність ударозахисних властивостей каски. Для вирішення цього завдання був проведений розрахунок наведених вище характеристик не лише для каски у цілому, але й для окремих її ланок.

Показник, що характеризує конфігурацію корпусу каски (л), визначався за формулою:

л =, (6)

де l - довжина малої осі еліпса каски, м; r - радіус кривизни куполу каски, м.

Перерозподіл поглинання енергії між корпусом каски та внутрішнім оснащенням оцінювався за величиною прогину корпусу каски (S):

S=,(7)

де Е - модуль пружності, МПа; с - постійна (с?0,18); r - радіус сферичної оболонки корпусу каски, м; д - товщина корпусу каски; m₁=G+m.

Розтяжність променів внутрішнього оснащення (?L) визначалася за формулою:

?L=L-L₀, (8)

де L₀ - первинна довжина променів амортизаторів (до удару), м; L - довжина променів амортизаторів після удару, м.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень ефективності ударозахисних характеристик каски побудовано математичну модель процесу поглинання й перерозподілу енергії удару за рахунок удосконалення технічних характеристик каски, яка виражається формулою:

К = 1,33·10^-3 .(9)

Як виходить з аналізу графіка (рис. 4), у касок з корпусами різної жорсткості та конфігурації з оснащеннями, які виконано з різних матеріалів, спостерігається одна і та ж тенденція - при малих енергіях удару (30-40 Дж) її поглинання відбувається, в основному, за рахунок розтягнення променів амортизатора внутрішнього оснащення.

Величина прогину менш жорсткого корпусу каски ШЗ вже при енергії удару в 35 Дж знижується майже удвічі, зменшуючи величину безпечного вертикального зазору (f), призводячи до зростання ризику травмування голови, тоді як ці ж характеристики каски ЗКЗП змінюються незначно. Розтягнення променів оснащення, які виконано з поліетилену високого тиску менше виражено, чим у комбінованого оснащення з поліетилену високого тиску з променями, які виконано з еластичної стрічки, особливо при енергіях 20-50 Дж. вугільний шахт професія небезпечний

Проведені дослідження пружних властивостей касок дозволили визначити діапазон їх значень, при яких перерозподіл енергії удару між корпусом й внутрішнім оснащенням буде більш рівномірним. Таким чином, теоретичні та експериментальні дослідження показали, що каска ЗКЗП має оптимальні параметри жорсткості корпусу (від 10000 до 11000 кг/м), відносне подовження променів оснащення (35-40 мм при енергіях удару до 50 Дж) і конфігурацію корпусу каски, що лежить у межах 1,4-1,5.

На підставі проведених досліджень розроблено й затверджено в установленому порядку: технічне завдання, робочу конструкторську документацію, технічні умови й отримано патент на захисну каску ЗКЗП [27].

Оцінка впливу температури навколишнього середовища на ударозахисні характеристики каски при енергії вертикального удару, що дорівнює 50 Дж показала, що під час збільшення температури її ударозахисні властивості зростають, а величина переданої енергії у всіх типів касок знижується при: t=20⁰С - в 1,7-3,1 разу; t=30⁰С - в 2,3-3,7 разу; t=50⁰С - в 2,9-4,5 разу. При низьких температурах (-40⁰С) величина переданої енергії у всіх випробовуваних касок коливалася у межах 19,3-26,7 Дж.

У разі одержання рівнянь регресії, що визначають залежність переданої енергії від енергії вертикального удару, значення постійних коефіцієнтів встановлювалося методом найменших квадратів за даними зіставлення енергій удару з переданою енергією. Для встановлення видів функціональної залежності застосовано метод із використанням полінома Чебишева. При цьому приймався такий вид рівняння, при якому дисперсія була мінімальною. Аналіз одержаних даних показав, що для каски ЗКЗП мінімальна дисперсія матиме місце під час опису залежності переданої енергії від енергії удару рівнянням 2-го порядку, справедливим при значеннях 20 Дж ?Е0?160 Дж:

Е_пер=0,007Е₀²+0,69Е₀+23,77.(10)

Аналогічні рівняння регресії одержано для інших видів касок, які традиційно застосовуються у вугільній промисловості. Імовірність відповідності розрахункових даних фактичним (критерій Пірсона) для різних моделей касок з різною локалізацією удару коливалася в межах від 0,65 до 0,99. Співвідношення фактичних й розрахункових величин переданих енергій показують незначну розбіжність між ними.

Питома вага травм під час роботи стоячи складає 13%, більше половини - 56% випадків травмування проходить при непрямих ударах. Експериментальні дослідження ступеня захисту голови працюючих від бічного та непрямого ударів, проводились на спеціально розробленому за участю автора стенді, кінематичну схему.

Із результатів досліджень, які наведені на діаграмі (рис. 8), виходить, що найбільш надійний захист каскою голови під час вертикального удару, оскільки в такому положенні промені внутрішнього оснащення працюють на розтягнення найефективніше. Встановлено, що чим більш удар стає нецентральним, а точка прикладання діючої енергії ударних навантажень зміщується від вершини до основи каски, тим більше змінюється перерозподіл поглинання енергії у бік корпусу та під час бічного удару у 100% випадків відбувається за рахунок його деформації, що визначається показниками жорсткості його матеріалів та ширини кільцевого зазору. Визначення коефіцієнтів кореляції бічної амортизації каски показало наявність сильного зворотного зв'язку з умовним показником жорсткості матеріалів (r=-0,84) і сильного прямого зв'язку (r=0,95) з шириною кільцевого зазору.

Експериментальними дослідженнями ударозахисних характеристик касок, проведеними методом перфорувального конусу встановлено, що зональний захист голови шахтаря за рахунок розташування ребер жорсткості корпусу каски ЗКЗП в місцях максимально ймовірного удару посилився більш, ніж в два рази у порівнянні з традиційно застосованою в галузі каскою Шахтар (від 50 Дж до 110 Дж на центральному ребрі жорсткості).

Під час травмування гірника здавлюванням грудкою вугілля або породи гранично допустиме статичне зусилля стискування каски (Р_ск) визначається як сума зусилля стискування, під час якого ліквідується кільцевий зазор (Р_кз) та зусилля, що веде до появи больових відчуттів (Р_бо), яке взято за критерій «відносно безпечного порогу»:

Р_ск=Р_кз+Р_бо.(11)

Експериментальні дослідження різних модифікацій касок із матеріалів з різним ступенем жорсткості з зусиллям 430 Н зі швидкістю 100 Н/хв показало, що всі поліетиленові та пластикові каски не витримують заданого стискуючого зусилля, оскільки опір деформації каски ставав менше прикладеного зусилля та величин максимальної та залишкової її значень. Це завдання вирішено за рахунок застосування у зонах максимального здавлювання матеріалів підвищеної жорсткості - полікарбонату, армованих термопластів й пресматеріалів.

Ступінь впливу касок на зниження ймовірності травмування голови гірника оцінено за показником професійного ризику (за критеріями Лапласа). При цьому для кожного значення енергії удару визначався елемент ризику окремо за кожним видом касок:

r_i=Е_пер(max)-Е_{пер i}.(12)

Сумарне значення елементу ризику за кожним із вказаних показників визначалося за формулою:

К_i = ,(13)

де i - число випробовуваних видів касок.

Комплексна оцінка надійності касок встановлювалася за показниками ризику, що виникають унаслідок руйнування елементів каски, струсу головного мозку, руйнування кісток черепу під час вертикального, нецентрального й бічних ударах; за характеристиками маси каски; удару при Е₀=50 Дж після нагрівання каски до + 50⁰С; удару при Е₀=50 Дж після охолоджування каски до - 10⁰С; удару при Е₀=50 Дж після охолоджування каски до - 20⁰С; удару при Е₀=50 Дж після зрошування каски водою; бічного здавлювання, а також за показниками ризику щодо характеристик міцності: з'єднання корпусу каски з променями амортизатору оснащення (табл. 3).

Таблиця 3. Порівняльна комплексна оцінка надійності захисту голови шахтаря касками “Шахтар” (Ш) і “ЗКЗП” (З), яку проведено шляхом розрахунку індексів ризику

З аналізу табл. 3 видно, що надійність каски «Шахтар» й аналогічних з нею касок, що традиційно застосовуються у вугільній промисловості, значно нижче розробленої каски ЗКЗП.

У четвертому розділі наведено результати досліджень закономірностей ризику ураження рук гірників механічними й вібраційними факторами, що лягло в основу створення високоефективних ЗІЗ рук.

Було вивчено близько 10 видів матеріалів, які використовуються або можуть бути використано як ударозахисні накладки, результати дослідження.

Ступінь захисту кисті і пальців кисті шахтаря від удару встановлювалася за показниками тяжкості травмування (див. табл. 2). Експериментальні дослідження цілого ряду матеріалів, що застосовуються як ударозахисні накладки показали украй низький ступінь їх захисту, оскільки вже при енергії удару, що дорівнює 8-11 Дж, величина переданої енергії є порівнянною з енергією удару кисті, а при Е₀=10-18 Дж - енергією перелому. У той же час аналіз графіка, представленого на рис. 9 показує, що пластизоль має досить ефективні ударозахисні властивості і його амортизаційні характеристики досить високі (65%). Установлено залежність переданої енергії удару від діючої під час випробування зразків з жорстких матеріалів (склопластику, поліетилену і ін.) від різної площі контакту з захищеною ділянкою руки. З аналізу результатів досліджень, наведених в діаграмі (рис. 10), виходить, що зі збільшенням площі контакту більше ніж в 4 рази амортизація удару зростає в 2,5 рази.

Встановлено кореляційну залежність величини переданої енергії від пружних характеристик ударозахисних матеріалів, що виражається в амортизації накладки (r_ху=-0,58). Величина коефіцієнту регресії показує, що під час зниження амортизації на 1%, передана енергія збільшується у середньому на 0,14 Дж. Експериментальні дослідження поліхлорвінілового пластикату марки пластизоль Д17І дозволили встановити, що він має оптимальні характеристики за показниками пружних властивостей, міцності щодо розриву та опору стискування, що дозволяє досягти захисту від енергії ударів при Е₀=25 Дж та енергії переломів при Е₀=50 Дж.

Одержані рівняння регресії дозволили встановити зв'язок між незалежною (Е0) і залежною (Епер) змінними під час застосування як ударозахисту накладки з парусин напівлляних, поролону, нетканих матеріалів, губчастої гуми, пінолатексу, склопластику, поліетилену високого та низького тиску і пластизолю. Рівняння регресії під час застосування пластизолю визначається формулою, справедливою при значеннях 5 Дж ?Е0?50 Дж:

Е_пер =0,32Е₀ -0,15.(14)

Ймовірність відповідності розрахункових даних фактичним, проведена за таблицею квантилів розподілу Пірсона для усіх досліджених матеріалів, є досить надійною. Показники надійності міцнісних характеристик тканин для рукавиць розраховувались за наступною залежністю:

Р_ср = =,(15)

де P_i - ризик порушення міцності тканин від i-го способу руйнування;

С_i - середньоімовірнісні значення показника міцності для i-го способу пошкодження тканини.

Комплексна оцінка надійності рукавиць встановлювалася за показниками ризику, що виникає внаслідок удару, перелому кисті; розривного навантаження тканин за основою і за утком; роздираючого навантаження за основою і за утком; стиранності; повітропроникності; жорсткості за основою і за утком.

Індекси ризику, що розраховано для ударозахисних прокладок, наведено в табл. 4.

Таблиця 4. Показники індексів ризику, що розраховано для прокладок, які використовуються в ударозахисних рукавицях

Аналіз даних табл. 4 свідчить про те, що пластизоль у 10 разів надійніше від поліетилену низького тиску, у 8 разів - парусин напівлляних, в 3-4 рази - склопластику, нетканих матеріалів і поліетилену високого тиску, в 2 рази - поролону, губчастої гуми і пінолатексу. Отже, пластизоль найбільш придатний для виготовлення ударозахисних накладок у рукавицях.

На ЗІЗ рук гірників від удару розроблено й затверджено в установленому порядку вихідні технічні вимоги.

Аналіз профзахворювань, який проведено на вугільних підприємствах показав, що 18,2 % усіх профзахворювань шахтарів доводиться на вібраційну хворобу, яку викликано локальною вібрацією. За результатами оцінки вібраційних характеристик шахтних машин й механізмів установлено віброшвидкості ручних машин, які перевищують допустимі норми на 3-10 дБ.

Теоретичні та експериментальні дослідження ступеня захисту гірників антивібраційними рукавицями, що традиційно застосовуються у вугільній промисловості показали, що прокладки з гуми віброгасильної і трубки гумової медичної, що рекомендуються діючими стандартами, ефективні лише на частотах 63-1000 Гц і не мають захисту від локальної вібрації на частотах 8-16 Гц, найбільш небезпечних у плані виникнення вібраційної хвороби.

Розрахунок ефективності віброзахисту пакетів матеріалів з різними вібропоглинальними характеристиками і встановлення ступеня їх надійності проводився для кожного значення зусилля натиснення j. При цьому ефективність захисту ЗІЗ рук від вібрації визначалася у восьми октавних смугах частот q як різниця між рівнями вібрації, що передаються рукавицею без антивібраційних прокладок і з прокладками:

Д_{q =} L₀ - L_q,(16)

де L₀ і L_q - рівні вібрації, що передаються рукавицею, відповідно без антивібраційних прокладок і з ними, дБ.

Сумарне і середнє значення елемента ризику під час кожного j-того зусилля натиснення визначалося за формулою:

К_j = ,(17)

де j - зусилля натиснення, Н; Д_q - значення ефективності пакету на q-той октавній смузі, дБ; q - октавна смуга частот, Гц; 8 - кількість нормованих октавних частот.

Комплексна оцінка антивібраційних рукавиць на основі встановлення індексу ризику для пакету матеріалів проводилась за показниками ризику при зусиллі натиснення j рівному 50, 100 і 200 Н. У результаті досліджень встановлено, що на частотах 8-16 Гц, лише антивібраційні прокладки «Бізон» і «Медуза» з модулем пружності, що дорівнює (4-7)·10е⁹ дН/см², фізико-механічні властивості яких представлено в табл. 5, забезпечують зниження переданої вібрації на 3-5 дБ. Це дозволяє збільшити допустимий час роботи на крутопадаючих пластах, де великий обсяг видобутку вугілля здійснюється молотковим способом у зміну від 47 до 77 хвилин. На антивібраційні рукавиці є патент на корисну модель [13].

Таблиця 5. Властивості віброзахисних матеріалів

У п'ятому розділі наведено результати дослідження закономірностей ризику травмування хребта, ніг і колінних суглобів шахтарів на основі проведення комплексної оцінки ступеня надійності їх захисту.