автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Проблема оценки и взаимосвязи аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха рабочей зоны

На правах рукописи

ЧЕРНЫЙ КОНСТАНТИН АНАТОЛЬЕВИЧ

ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ И ВЗАИМОСВЯЗИ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И АЭРОИОННОГО СОСТАВА ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

05.26.01 - Охрана труда (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

31 ЯНВ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005048925

005048925

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова

Научный консультант:

Храмов Алексей Владимирович

Официальные оппоненты:

Русак Олег Николаевич, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор,

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, заведующий кафедрой

Гримитлин Александр Моисеевич,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, профессор

Денисов Валерий Николаевич,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор

Ведущая организация: Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), г. Челябинск.

Защита диссертации состоится 21 февраля 2013 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.010.01 в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан 18 января 2013 года

доктор медицинских наук, профессор

Ученый секретарь диссертационного совета

Дроздова Л.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (A.B. Глушкова, A.C. Радилов, В.Р. Рем-бовский, G. Oberdörster, 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, C.B. 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, A.A. Павленко, В. Berlinger, D.H. Brouwer, Y.-H. Cheng, C.F. Clement, К. 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 (P.A. Алик, Л.Л. Васильев, И.А. Гаранина, Н.И. Гольдштейн, Ю.Д. Губернский, A.C. Гуськов, Г.С. Исаев, М.Н. Кондрашова, В.Г. Махоткин, A.A. Минх, А.М.Миронов, В.А. Рогов, В.П.Скипетров, В.В. Смирнов, В.А. Соловьев, Х.Ф. Таммет, A.JI. Чижевский, М.Г. Шандала, М.В. Шепелева, A.A. Шилкин,

R. Gann, I. Kita, A.P. Krueger, 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 идентифицировать наиболее характерные производственные операции современного машиностроительного комплекса, связанные с аэрозольным загрязнением и негативным 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 аэрозольных 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.

3. 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.

4. Провести исследования аэрозольного загрязнения и аэроионного состава при выполнении наиболее характерных для машиностроительных предприятий производственных операций, уточнить условия применения гигиенических нормативов их оценки.

5. 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 современных средств коллективной и индивидуальной защиты от негативного воздействия несоответствующего гигиеническим критериям аэроионного состава.

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:

1. Впервые научно обоснована необходимость учета электрической подвижности аэроионов при оценке безопасности и качества воздуха рабочей зоны.

2. Впервые обнаружена аномально высокая генерация средних промежуточных аэроионов при использовании электрических коронных аэроионизаторов. Определены оптимальные спектральные распределения аэроионов по подвижности.

3. Разработан косвенный метод оценки высокодисперсного (размер частиц менее 0,1 мкм) аэрозольного загрязнения на основе параметров аэроионного состава.

4. Определены эмпирические зависимости изменения концентраций аэроионов различной подвижности от расстояния до ионизаторов, позволяющие существенно повысить эффективность разрабатываемых мероприятий по улучшению условий труда.

5. Разработан системный подход к оценке эффективности и установлению области рационального применения аэроионизирующего оборудования как средств индивидуальной и коллективной защиты.

6. 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.

2. Разработана методика оценки распределения аэрозольных частиц высокодисперсной фракции на основе измерений характеристик аэроионного состава воздуха рабочей зоны.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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 высокодисперсном 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. Разработанные методика выбора точек измерений аэроионного состава и способ оценки эффективности аэроионизирующего оборудования и устройств как средств коллективной и индивидуальной защиты.

6. Полученные эмпирические выражения концентраций легких аэроионов и особенности спектрального распределения азроионов 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.

7. Методология разработки и типовые мероприятия по улучшению условий труда, направленные на уменьшение высокодисперсного аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны и нормализацию аэроионного состава.

8. Методика организации производственного контроля за аэроионным составом воздуха рабочей зоны.

9. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научного направления и работы, сформулированы цель и основная идея исследований, научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации, приведены общая характеристика содержания работы, сведения об ее апробации и реализации полученных результатов.

В первой главе «Современное состояние изученности проблемы и задачи исследования» дан обзор тенденций изменений условий труда машиностроительного производства на современном этапе его модернизации. Анализ особенностей аэрозолеобразования ряда характерных для машиностроения производственных операций показывает, что проблема обеспечения без опасности воздуха рабочей зоны усугубляется увеличением загрязнения высокодисперсными (размером менее 0,1 мкм) аэрозольными частицами, в том числе и электрически заряженными.

Представлены современные мировые тенденции в практике оценки и гигиенического нормирования аэрозольного загрязнения как опасного и вредного производственного фактора. При оценке воздействия аэрозольного загрязнения все большее внимание уделяется дисперсному составу частиц, особенно в диапазоне размеров порядка 0,001-0,100 мкм. Однако согласно установленному в настоящее время российскими нормативными документами гравиметрическому подходу к оценке условий труда по фактору аэрозольного загрязнения учет дисперсности частиц не производится, что не позволяет объективно разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасности и качества воздуха рабочей зоны.

Оценка дисперсного состава производственных аэрозольных загрязнений является технически сложной задачей, а осуществление мониторинга условий труда с учетом вредного влияния высокодисперсных аэрозольных частиц зачастую является невыполнимым или достаточно трудоемким.

Среди известных моделей описания дисперсного состава аэрозольных частиц по размерам и соответствующих аналитических зависимостей наиболее простым и достаточно точным является метод суперпозиции нескольких логарифмически-нормальных распределений. Однако в реальных производствен-

ных условиях для определения параметров логарифмически-нормальных распределений частиц зачастую требуется проведение дополнительных, не менее трудоемких исследований. Последнее определяет необходимость поиска новых способов оценки аэрозольного загрязнения в широком интервале размеров частиц, а также установления взаимосвязи его с другими опасными и вредными производственными факторами.

В качестве связанного с наличием и содержанием в воздухе рабочей зоны высокодисперсных аэрозольных частиц производственного фактора рассмотрен аэроионный состав. В охране труда при решении проблем оценки высокодисперсных аэрозольных загрязнений использование параметров аэроионного состава ранее не применялось. Практически отсутствуют научные данные, позволяющие описать изменения параметров аэроионного состава как характеристики воздействия производственных процессов на воздух рабочей зоны. До сих пор нет общего мнения по поводу не только количественной, но и качественной стороны образования и эволюции аэроионов. Акцентировано значение спектрального распределения аэроионов по электрической подвижности и соотношения отдельных фракций аэроионного состава, которым до настоящего момента уделялось недостаточно внимания. Известные способы искусственной аэроионизации в силу отсутствия работ по всестороннему и систематическому описанию параметров генерируемого аэроионного состава широкого распространения не получили. Не определены способы оценки эффективности аэро-ионизирующего оборудования и условия их применения. Отсутствуют научные основы разработки мероприятий по улучшению условий труда, связанные с коррекцией и нормализацией аэроионного состава и борьбой с аэрозольным загрязнением.

Таким образом, аналитически обоснована необходимость решения проблемы оценки и взаимосвязи высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного состава. Проведенный анализ указанных научно-технических проблем позволил сформулировать задачи исследования, необходимые для достижения поставленной цели.

Во второй главе «Анализ условий труда и профессиональной заболеваемости, обусловленной негативным воздействием факторов воздуха рабочей зоны» проведен статистический анализ общей картины условий труда и причин возникновения профессиональной заболеваемости в машиностроительной отрасли Российской Федерации, на предприятиях машиностроительного комплекса Пермского края, а также на пяти предприятиях одного из машиностроительных холдингов Пермского края - ОАО «Мотовилихинские заводы». Использовались материалы государственных докладов, данные ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае» и результаты аттестации рабочих

мест по условиям труда.

В отрасли «Производство машин и оборудования» (подраздел БК 29 Общероссийского классификатора видов экономической деятельности (ОКВЭД) ОК 029-2001) более 30 % работников заняты во вредных условиях труда.

Среди множества опасных и вредных производственных факторов аэрозольное (пылевое) загрязнение входит в число превалирующих. В структуре отклонений от установленных гигиенических нормативов аэрозольное загрязнение занимает одну из ведущих позиций (порядка 10 %) наряду с такими опасными и вредными производственными факторами, как освещенность рабочего места, показатели микроклимата, уровни шумового и вибрационного воздействия (рис. 1).

На предприятиях машиностроения показатель профессиональной заболеваемости традиционно превышает средний для обрабатывающих производств. В структуре вредных производственных факторов, вызывающих профессиональные заболевания, аэрозольное загрязнение занимает одно из ведущих мест (порядка 20 %).

Статистический анализ данных наблюдений за условиями труда и информации по виду и причинам возникновения профессиональных заболеваний показывает существенно меньшее значение доли несоответствующих гигиеническим критериям условий труда по фактору аэрозольного загрязнения, выявляемых при помощи принятых в настоящее время методов и критериев оценки, по сравнению со значением доли профессиональных заболеваний, вызванных воздействием обозначенного фактора. Для сравнения: обратная картина наблюдается, например, в отношении шумового фактора условий труда (рис. 2).

Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны характерно для таких производственных операций машиностроения, как механическая обработка материалов и изделий, сварка металла, приготовление формовочной песчано-глинистой смеси. Оно определяет общую характеристику условий труда на рабочих местах полировщика, шлифовальщика, резчика, электрогазосварщика, слесаря механосборочных работ, формовщика ручной формовки. Классы условий труда, определяемые по результатам инструментального контроля аэрозольного загрязнения и сравнением их с установленными санитарными гигиеническими нормативами, представлены в табл. 1.

Пары и газы

ЭМП

Пыль и аэрозоль

Микроклимат Вибрация Шум Освещенность

О 10 20 30 40 50 60 70 80 %

Рис. 1. Доли несоответствующих условий труда на машиностроительных предприятиях в разрезе вредных факторов

(по данным ФБУЗ кЦентр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае»)

Кроме того, при проведении электродуговой сварки по фактору «Аэроионный состав» условия труда относятся к классу 3.1. Воздух рабочей зоны при проведении электродуговой сварки характеризуется превышением концентрации аэроионов как положительной, так и отрицательной полярности, величина превышения -порядка 4 раз от установленных нормативных уровней.

Таблица 1

Условия труда по фактору аэрозольного (пылевого) загрязнения на отдельных рабочих местах машиностроительного холдинга

Наименование профессии Количество рабочих мест, на которых проведена аттестация по условиям труда Число рабочих мест (абсолютные значения/относительные значения А„ %)

Класс условий труда по фактору «Аэрозоль преимущественно фиброгенного действия»

2 3.1 1 3.2 I 3.3 I 3.4 | 4

Индекс профзаболеваний Ипз

<0,05 0,050,11 0,120,24 0,250,49 0,501,0 > 1,0

Полировщик 27 18/66 5/19 3/11 1/4 0/0 о/о

Шлифовщик 58 33/57 22/38 2/3 1/2 0/0 о/о

Резчик 13 11/84 1/8 1/8 0/0 0/0 о/о

Электсогазосварщик 37 29/78 5/14 3/8 0/0 0/0 о/о

Слесарь механосборочных работ 83 65/78 10/12 8/10 0/0 0/0 о/о

Формовщик ручной формовки 12 10/83 2/17 0/0 0/0 0/0 о/о

Для анализа корреляционной зависимости между частотой (долей) классов условий труда (см. табл. 1) и фактическими показателями профессиональной заболеваемости в разрезе отдельных профессий машиностроительного производства разработан индекс риска профессиональной заболеваемости ИРПЗ:

ИРп=2(Ии)А. (!)

где (Ипз); - максимальное значение индекса профессиональной заболеваемости Ипз для г-го класса условий труда; А. - доля /-го класса условий труда.

35 30 25 % 20 15 10 5

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Год

. * . 1 . -А. -2 —IВ—3 —А—4

Рис. 2. Доли не соответствующих гигиеническим требованиям условий труда (], 2) и обусловленных такими условиями профессиональных заболеваний (3, 4): 1,3 - аэрозольное загрязнение; 2,4- шум

1 - >, ' 1 к" - ы №

1 1 1 . * г ' ,

1 ___

1 --4

-------- " ч 1 •I 1- - .|

«■ . -1 1 8- . | 1- - «

Корреляционный анализ величины индекса ИРПЗ с фактической структурой профессиональной заболеваемости в машиностроении по профессиям (по данным ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае») показывает высокую прямую зависимость. Коэффициент корреляции за период 2007-2011 гг. равен 0,90 ± 0,18. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны ,для представленных в табл. 1 профессий машиностроительных предприятий является одним из основных опасных и вредных производственных факторов, приводящих к возникновению профзаболеваний.

Таким образом, улучшение условий труда и снижение профессиональной заболеваемости на машиностроительных предприятиях связано с изменением и развитием нормативного, методологического и методического подходов к оценке условий труда по фактору аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны. Для научного обоснования мероприятий по улучшению условий труда следует провести исследования характеристик аэрозольного загрязнения и особенностей его взаимосвязи с аэроионным составом воздуха рабочей зоны.

Не вызывает сомнения, что различие в характере влияния взвешенных в воздушной среде частиц на организм работника будет определяться именно химическим составом и физическими закономерностями их поведения. В третьей главе «Закономерности изменения природы и размеров взвешенных в воздухе частиц и процессы формирования аэроионного состава» проведены анализ и обобщение сведений о природе, закономерностях эволюции и свойствах аэроионов.

Терминология разделения аэроионов на легкие (подвижностью выше (0,1-0,5) см2В"'с ), средние и тяжелые (подвижностью ниже

0.01-0,05 см^-'с"1), предложенная Г. Израэлем, до сих пор остается наиболее распространенной. В такой классификации не учитывается характер физического взаимодействия, определяющего устойчивость того или иного класса аэроионов.

Предложена обобщенная классификация аэроионов, в качестве основного критерия в которой рассмотрена природа физико-химических связей, определяющих стабильность аэроионов в воздушной среде. Единственно физически обусловленной границей, позволяющей обоснованно разделить аэроионы на классы, является граница 0,5 см2В_1с"'. Ионы подвижностью более 0,5 см В" с образуют класс ГАЗОВЫХ аэроионов (по подвижности легких), а ионы подвижностью менее 0,5 см2В~'с-1 можно назвать СЛОЖНЫМИ (по подвижности тяжелыми и средними промежуточными). Обозначенные классы аэроионов можно дополнительно разбить на следующие группы:

1. В классе газовых (легких) аэроионов следует различать:

1.1. Элементарные, или молекулярные, ионы (молионы) подвижностью более 3-5 см2В~'с~', образованные непосредственно действием того или иного механизма ионизации. В результате основных первичных элементарных реакций ионообразования, протекающих при активном участии полярных молекул воды, образуются следующие молионы: К1', 1Ч2+, 0+, 02+, Н+, О , 02~, 03", Н~, М02~, ОН- и др. В качестве основного положительного молио-на целесообразнее принимать ион азота N2*, а в качестве основного отри-

дательного молиона - ион кислорода 02~. После образования молионов происходят ион-молекулярные реакции, в результате которых формируется класс легких аэроионов. Представлены 79 основных таких ион-молекулярных реакций, детально рассматриваются процессы рекомбинации, перезарядки, гидратации и образования комплексных ионов, а также вторичные ион-молекулярные реакции. 1.2. Комплексные ионы\

1.2.1. Первичные комплексные ионы, образованные в результате гидратации молекулярных ионов, средней подвижностью 1-3 см2В~'с-1: М2+(Н20)„; Ш2+(Н20)„ и М0+(Н20)„ - где п = 1, 2, 3, 4, 5; Н+(Н20)„ - где п = 3,4, 5; 02+(Н20)„; 02"(Н20)И - где п = 1, 2, 3, 4, 5; 0ЕГ(Н20)„; ЖГ(Н20)„ - где п = 1,2, 3,4, 5; Ш2"(Н20)2; Ж>з~(Н20)„- где и = 1,3 и др.

1.2.2. Вторичные комплексные ионы, образованные в результате ион-молекулярных реакций молионов и первичных комплексных ионов, подвижностью в пределах 0,5-1,0 см В"'с_1: Н30+(Н20)„, 1Ш4+(Н20)т КН4+(Н20)я(КН3)т, Н+(КН3)„(Н20)и, Шз~(НМ)з)„, К0з'(Ш03)п(Н20)и и др. Наиболее вероятным вторичным отрицательным комплексным аэроионом считается Ж)3~(Н20)з, наиболее вероятным вторичным положительным комплексным аэроионом - Н3О (Н20)3.

2. В классе средних промежуточных аэроионов следует различать:

2.1. Конденсационные ионы подвижностью 0,3-0,5 см2В_1с"', образованные ион-индуцированной нуклеацией на молионах и комплексных ионах.

2.2. Кластерные ионы, или ионные кластеры, подвижностью 0,01-0,50 см2В-1с-1, образующиеся в результате ассоциации комплексных ионов с нейтральными ионными парами, образованными столкнувшимися разнополярными комплексными ионами. Предположительная химическая структура нейтральных ионных пар М0з~(Н20)^тН30 или К0з"(НЫ0з)лНз0+(Н20)т. Равновесная концентрация заряженных кластерных ионов при типичном содержании аэрозольных частиц оказывается в 10-100 раз меньше, чем концентрация молионов и комплексных ионов.

3. К классу тяжелых аэроионов следует отнести аэрозольные ионы с подвижностью от бесконечно малой до 0,01 см2В_1с-1 и образованные при столкновении и прилипании молионов и комплексных ионов к нейтральным аэрозольным частицам. Этот процесс сопровождается убылью молионов и комплексных ионов (группа легких аэроионов).

Детально рассмотрены механизмы ионизации и процессы зарядки аэрозольных частиц, представлены физические и эмпирические выражения для отдельных характеристик аэроионов (электрическая подвижность, коэффициент диффузии и др.). Численно рассчитаны значения вероятности однополярной зарядки аэрозольных частиц до величины одного элементарного заряда исходя из электрической подвижности и диаметра частицы. Указанные теоретические зависимости и результаты численных расчетов использовались для теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в последующих главах.

Представлены основные параметры аэроионного состава чистого природного воздуха как эталонной воздушной среды, к которой наиболее приспособлен организм человека. На основании выявленных закономерностей формирования аэроионов различных групп определены необходимые гигиенические характеристики и научно обоснованы требования к аэроионному составу воздуха рабочей зоны, к которому необходимо стремиться при осуществлении мероприятий по улучшению условий труда.

В четвертой главе «Теоретические исследования взаимосвязи аэрозольного загрязнения и аэроионного состава. Апробация на модели воздушной среды» представлен теоретический аппарат диссертационного исследования.

Картину взаимосвязи аэрозольного загрязнения и аэроионного состава предлагается проследить, рассматривая ионизационно-рекомбинационное уравнение образования и исчезновения легких аэроионов:

СИу(Ш,) - сНу(АТ^гас1(и,.)) =

в (2)

х--«1 в .

2 -1 -1

где n¡ - концентрация легких аэроионов подвижностью = 0,5-2,0 см В с ; I - характеристика заряда иона, если заряд положительный, то / обозначается знаком «+», если заряд отрицательный, г обозначается знаком «-»; член сНу(йи,) описывает адвективный перенос ионов; й - скорость движения воздуха в точке Я в момент времени /; v - интенсивность новообразования; а - коэффициент рекомбинации противоположно заряженных легких аэроионов друг с другом; Р'х(£>) - вероятность встречи в точке К в момент времени г

легкого аэроиона и аэрозольной частицы диаметром £> и зарядом %г или коэффициент слияния легких положительных (или отрицательных) аэроионов и частиц диаметром £> и зарядом %е (или -%е)\ /ф.А-^Ц - концентрация аэрозольных частиц диаметром Б и зарядом %е в точке Я в момент времени t; К - диагональный тензор с элементами К'тп =

(КИ + Ц)5М1„, где Кт- коэффициент турбулентной диффузии в направлении хт (хь хг - горизонтальные координаты, х3 - вертикальная координата), Д - коэффициент диффузии ионов, £>, = ^кТ/е \ к - постоянная Больцмана; Т - температура воздуха; е - элементарный заряд;

Ё - напряженность электрического поля; / - время.

В предположении, что система «аэроионы - аэрозольные частицы» является пространственно однородной, находится в термодинамическом и электрическом равновесии, т.е. распределение аэрозольных частиц по размерам квазиста-ционарно и по зарядам симметрично, отсутствуют конвективные и адвективные переносы зарядов, уравнение (2) может быть записано в виде

- = v-an+rt_-Spn+,

- = v-an_n+ -S~n_,

дг дгк д1

где Я' - убыль аэроионов на аэрозольных частицах,

А™,

Для стационарных условий = . В условиях симметричной диффузионной зарядки аэрозольных частиц легкими аэроионами п+ = п_= п, и, опуская знак г, можно записать уравнения (3) в виде

у = аи2+5р«. (4)

Решая полученное квадратное уравнение, имеем

п_р2р+ 4ау-£р_ 2у (5)

2а Бр+р2р+4о»'

Убыль аэроионов БРп в уравнении (4) за счет оседания на аэрозольные частицы во всем интервале размеров частиц может быть описана эмпирической формулой [Нбггак и. е! а1., 2008]

%=+<«) Апвх Лчах

= \ с1В${1,0)Н{Ъ0)*п ] N{0)

Дат

D-0,001 D 1(г6 £»+0,005 0,04

d(D), (6)

где D - диаметр аэрозольных частиц, мкм; N(D) - распределение аэрозольных

частиц по размерам.

Рассмотренный теоретико-эмпирический аппарат апробирован на примере экспериментальных данных для атмосферного воздуха [Horrak U. et al., 1998; Vartiainen Е., 2007]. Коэффициент рекомбинации противоположно заряженных легких аэроионов принят равным ос = 1,6-10"6 cmV [Hoppel W.A., Frick G.M., 1990; Tammet H., Kulmala M., 2005; Гаранина И.А., 2007]. Оцененная по уравнению (4) интенсивность ионообразования v составляет величину 3526-4,67 см-3с-1, что согласуется с условиями атмосферного воздуха.

Отметим, что для решения уравнения (4), связывающего интенсивность ионообразования, счетные концентрации легких аэроионов и распределение аэрозольных частиц по размерам, необходимы сведения о дисперсном составе аэрозоля в широком интервале размеров частиц от Dmin (по крайней мере порядка 0,05 мкм) до Дмх- В практических исследованиях чаще всего распределение определено только для аэрозольных частиц размером порядка и более 0,1 мкм (чаще в диапазоне диаметров более 0,3-0,5 мкм). Измерение концентраций аэрозольных частиц диаметром менее 0,1 мкм является задачей технически сложной. Применение уравнения (4) становится некорректным в случае отсутствия данных распределения аэрозольных частиц в широком интервале от Дш„ до ,Dmax. Между тем распределение аэрозольных частиц по размерам можно экстраполировать в область высокодисперсной фракции, используя аналитиче-

ские зависимости описания дисперсного состава. Наиболее обоснованным при описании дисперсного состава является метод суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений:

ад а

N,

о j

(\nD-lnD0>.)

S icc во

3(lnZ>) ^(л/2я1пOjD ехр[ 2(1п<т,У J' ^

где N0J - общее число частиц j-m моды; с, - стандартное геометрическое отклонение j-VL моды; Dqj - среднее геометрическое значение диаметра моды.

Число мод j в распределении принято равным четырем [Hussein T. et al., 2005], причем одна из мод (J = 4) лежит в области частиц со средним геометрическим значением диаметра D04 > 1 мкм. В области размеров частиц менее 1 мкм рассматриваются возможные оставшиеся три моды.

При моделировании распределения аэрозольных частиц предлагается принять следующие начальные условия итераций и пройти следующие итерационные этапы:

Этап 1. В первоначальном приближении средние геометрические диаметры частиц, стандартные геометрические отклонения и концентрации частиц принимают значения согласно рис. 3. Значения A>j> °j> Noj подбираются методом наименьших квадратов таким образом, чтобы обеспечить соответствие известным экспериментальным данным распределения аэрозольных частиц, а также сходимость уравнения (5), связывающего распределение аэрозольных частиц и концентрации аэроионов. Для этого в модах последовательно подгоняются значения:

а) средних геометрических диаметров D0J ;

б) стандартных геометрических отклонений в диапазоне 1,2-2,1;

в) общего числа частиц Naj.

Этап 2. При условии достижения заданной точности аппроксимации рассматривается возможность уменьшения количества мод в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм с трех до двух. Возможны два варианта: в диапазоне размеров частиц менее 0,1 мкм наблюдаются две моды (начальные условия итераций аналогичны МОДЕ 1 и МОДЕ 2 (см. рис. 3)) или в диапазоне частиц менее

?,001 0,01 0,1

Диаметр частиц, мкм

Рис. 3. Первоначальные условия итераций при моделировании распределения аэрозольных частиц размером менее '

мкм

0,1 мкм наблюдается только одна мода, вторая лежит в диапазоне размеров 0,1-1,0 мкм.

Этап 3. При условии достижения заданной точности аппроксимации рассматривается возможность уменьшения количества мод в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм с двух до одной. В случае одномодового распределения проводятся итерации, аналогичные описанным на этапе 1 для диапазона размеров частиц 0,003-1,000 мкм.

Предложенный алгоритм апробирован на модельной воздушной среде сильвинитовых спелеоклиматических камер [Баранников В.Г. и др., 1984, 1988; Красноштейн А.Е., 1994] в силу ее уникальных свойств в отношении аэроионных и аэрозольных составов, а также возможности теоретически рассчитать интенсивность ионообразования исходя из величины ионизирующего излучения Р-активного изотопа 4<)К.

Рассмотрены следующие модели: аэрозольное загрязнение в пределах рабочего места; распространение аэрозольного загрязнения по производственному помещению от локального источника; распространение загрязнения от равномерно распределенных по помещению источников. Для моделирования описанных случаев апробация проведена в камерах различных конструкций.

Результаты исследований соотношений фракций легких, средних, тяжелых аэроионов, проведенных в модельных воздушных средах, представлены в табл. 2. Во всех измерениях в диапазоне подвижностей более 0,1 см2В" с" преобладают аэроионы положительной полярности. Объемные концентрации сред-

Таблица 2

Концентрации аэроионов в модельных воздушных средах

Тип модельной воздушной среды Легкие аэроионы (более 0,1 см^-'с"1) Средние промежуточные аэроионы (0,01-0,10 см^'с"1) Тяжелые аэроионы (0,00032-0,01 см2В~'с~')

+ - Коэффициент уни-поляркости + - ^Коэффициент униполярное™ + - Коэффициент униполярное™

Аэрозольное загрязнение в пределах рабочего места 2340 ±860 1860 ±780 1,30 ±0,16 280 ±160 320 ±220 1,13 ±0,73 2430 +740 2870 ±1370 0,92 ±0,30

Распространение загрязнения от локального источника 1690 ±140 1390 ±100 1,22 ±0,05 150 ±30 90 ±40 1,53 ±0,11 900 ±150 1000 ±300 1,04 ±0,46

Распространение загрязнение от равномерно распределенных источников 4150 3640 1,14 - - - - - -

Среднее 2400 ±410 2050 ±360 1,23 ±0,10 230 ±70 220 ±90 1,29 ±0,29 1980 ±440 2350 ±600 0,91 +0,23

них промежуточных аэроионов (подвижностью 0,01-0,10 см2В~'сч) обеих полярностей незначительны, что характерно для аэроионного состава воздушной среды с относительно низкой интенсивностью ионизации.

Распределение аэрозольных частиц в модельных воздушных средах экстраполировалось в диапазон высокодисперсных фракций (менее 0,1 мкм) с использованием предложенного алгоритма и уравнения (7), статистически проверенных данных относительно концентраций тяжелых аэроионов (табл. 2), а также экспериментальных данных распределения аэрозольных частиц в диапазоне размеров 0,3-100,0 мкм.

Мода высокодисперсных частиц (МОДА 2) определялась методом наименьших квадратов таким образом, чтобы значения концентраций тяжелых аэроионов, вычисленные исходя из больцмановского распределения заряда на аэрозольных частицах

ч»)

N

Г

4 п2е0РкТ

1 +

Шс0ОкТ

ехр

XV

4яе 0окт

(8)

а также эмпирического соотношения, связывающего значение диаметра аэрозольных частиц и подвижности [Смирнов В.В., 1992]

И =

9,44%

1+^1 + 0,336ехр(-%3)

10

1-3

(9)

совпадали с экспериментально наблюдаемыми. Принятые обозначения: Лгх -

фракционные концентрации частиц диаметром Д содержащих % зарядов одного знака; N - полное число аэрозольных частиц в единице объема,

00

N = М0(О)+2]Г Л^(О); N„(0) - концентрация электронейтральных аэрозоль-Х=1

ных частиц; е0 - электрическая постоянная; к- постоянная Больцмана; Г - температура. Результаты апробации на модельных воздушных средах представлены в табл. 3 и на рис. 4-6.

Таблица 3

Усредненпые результаты аппроксимации распределения аэрозольных частиц по размерам в модельных воздушных средах

Тип модельной воздушной среды МОДА 2 МОДА 3 МОДА 4

Ми а2 А>2 Моз <*3 £>оз ^04 04 д>4

Загрязнение в пределах рабочего места 28000 1,57 0,056 31 2,28 0,3 - - -

Распространение загрязнения от локального источника 42500 1,6 0,045 22,5 1,55 0,45 2,25 2,2 1

Распространение загрязнения от равномерно распределенных источников 12000 1,5 0,045 12 1,9 0,35 1,4 1,9 1,5

Диаметр О, шкм

Рис. 4. Распределение аэрозольных частиц (модель загрязнения в пределах рабочего места)

Диаметр О, мхм

Диаметр О, ыхм

Рис. 5. Распределение аэрозольных частиц (модель распространения загрязнения от локального источника)

Для подтверждения достоверности моделирования распределения аэрозольных частиц проведено сравнение значения интенсивности ионообразования, полученного на основании уравнений (4) и (6), с рассчитанным исходя из активности Р-излучения и мощности экспозиционной дозы у-излучения, создаваемых излучениями изотопа 40К, входящего в состав сильвинитовой руды, формирующей модельную воздушную среду. Плотность потока

Рис. б. Распределение аэрозольных частиц

(модель распространения загрязнения от равномерно распределенных источников) Р-частиц в камере из массивных сильвинитовых блоков (модель локального аэрозольного загрязнения) составляет 0,46-0,58 см~2с-1, мощность экспозиционной дозы у-излучения - 16-30 мкР/ч. Рассчитанная на основе измерения ионизирующих излучений интенсивность ионизации равна 82 + 5 см-3с-1. Данные значения согласуются с такими же значениями (80 ± 5 см"3с-1), полученными из решения уравнения (4), что подтверждает достоверность предложенной модели.

В типичном для модельных воздушных сред спектральном распределении аэроионов в диапазоне 0,1-2,2 см2В"'с-1 практически все легкие аэроионы находятся в диапазоне подвижностей 1-2 см2В_1с_1 (рис. 7).

Отрицательные аэроионы

более 2 1-2 0,64-1 0,32-0,64 Диапазоны подвилиоста, а/7В—

Рис. 7. Спектральные распределения легких аэроионов в модельной воздушной среде

Коэффициент униполярности в диапазоне подвижностей более 2 см2В~'с~ всегда отрицательный (среднее значе-

ние равно -0,17), в то время как в диапазоне 1-2 см2В~'с-1 коэффициент унипо-лярности всегда положительный (среднее значение - 0,14).

Пятая глава посвящена «Экспериментальным исследованиям аэрозольного и аэрононного состава на рабочих местах машиностроительных производств» с использованием полученных закономерностей взаимосвязи аэрозольного загрязнения и аэроионного состава и разработанного косвенного метода оценки высокодисперсных аэрозольных загрязнений воздуха рабочей зоны. Исследования проведены в условиях действующего производства при осуществлении следующих операций: шлифовка деталей из различных материалов (сталь, керамика, алюминий, тефлон)-, электродуговая сварка, аргонодуговая сварка, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом и точечно-контактная сварка; лазерная резка металла; плавка серого литейного чугуна и приготовление песчано-глинистой формовочной смеси.

При шлифовке распределение аэрозольных частиц носит явно выраженный модальный характер. Распределение частиц при обработке деталей из стали описывается двумя модами (рис. 8, а). В случаях обработки деталей из алюминия (рис. 8, б), керамики (рис. 8, в), тефлона (рис. 8, г) - тремя модами. Наибольшим высокодисперсным загрязнением характеризуется шлифовка деталей из алюминия (см. рис. 8, 6). При обработке деталей из керамики (см. рис. 8, в) наблюдается максимальная концентрация аэрозольных частиц респирабельной

100000.00 10000.00 1000.00

%

5 100,00 ^ 10,00 та

г

1,00

0,10

0,01 0,001

-»•ЭКСПЕРИМЕНТ -9-М0ДА2 МОДА 3 МОДА 2 + МОДА 3

Г

+

1 V

I А н

Л \

Л .1.

0,01 0,1 1 Диамгтр О, мкм

0,01 0,1 1 10 Диаметр 0, мкм

100300,00 10000,00 ¡21000,00 100.оо

е

та 10,00 §

1.00 0,10 0,01

-^ЭКСПЕРИМЕНТ -9-МОДА 1(2) —л— МОДА 3 -■-МОДА 4 -»-МОДА 1(2) ^ МОДА3 + МОДА 4

1

I-

[

!

100000,00 10000,00 1000,00

3 100,00 ^

§ 10,00

е.

та

§ 1.00 та

0,10 0.01

-»-ЭКСПЕРИМЕНТ -е-МОДА 1(2) -*-МОДАЗ -■-МОДА 4 -•-МОДА 1(2)* МОДА 3 + МОДА 4

\

V

Дч

0,001 0,01 0,1 1 ю Диаметр О, мкм

0,001 0,01 0.1 1

Диаметр О, мкм

Рис. 8. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны при шлифовке детали из: а - стали; б - алюминия; в - керамики; г - тефлона

фракции (диаметром более 0,5 мкм). При обработке деталей из керамики и тефлона в области высокодисперсных (менее 0,1 мкм) частиц распределение удалось свести к одной моде (обозначено МОДА 1(2)).

Концентрации легких аэроионов при шлифовке составляют величину порядка 100 см"3. Оцененная величина интенсивности ионообразования варьируется в пределах 4,65 ±0,15 см"3с~' и является характерной для производственных помещений без дополнительных источников генерации аэроионов.

При проведении сварки металлов характер аэрозольного загрязнения существенно различается в зависимости от типа применяемой технологии (рис. 9).

1000000,00 100000,00 , 10000,00 6 1000.00 2 100,00 ? «,00

1,00 0,10 0,01 0,001

/ 4 ^ N Ч

/ J

1 Г

-»-ЭКСПЕРИМЕНТ -Лг- МОДА 3 -«-МОДА 4 -•- МОДА 3 ♦ МОДА 4

0,1 1 Диаметр О, мкм

0,001 0,01 0,1 1

Диаметр О, мкм

0,1 1 Диаметр О, мкм

-»-ЭКСПЕРИМЕНТ -9-М0ДА2 -4-МОДАЗ -«-МОДА 4 -♦-МОДА 2 + МОДА 3 + МОДА 4

[

Г \

1 к.

/

[ 1 Г

\ NN

\

\..... Л \,„

Диаметр О, мкм

в г

Рис. 9. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны при: а - ручной электродуговой сварке; б - аргонодуговой сварке; в - ручной сварке вольфрамовым неплавядимся электродом; г - точечно-контактной сварке

При электродуговой сварке (рис. 9, а) наблюдается ярко выраженный бимодальный характер распределения, что объясняется химическим составом образующихся частиц. Одну из наблюдаемых мод можно связать с испаряющимися во время сварки, а затем конденсирующимися частицами обмазки электрода (МОДА 3), другую - с частицами металла или их оксидами (МОДА 4). Доля частиц высокодисперсной фракции при электродуговой сварке незначительна.

Аргонодуговая сварка, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом и точечно-контактная сварка характеризуются трехмодальным распределением

(рис. 9, б-г). При аргонодуговой сварке (рис. 9, б) мода высокодисперсных частиц (МОДА 2) определяется средой применяемых в технологии сварки инертных газов, которые оказывают влияние на интенсивность конверсионного перехода «газ - частицы». При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом (рис. 9, в) наблюдаемая интенсивность МОДЫ 3 незначительна, практически все генерируемые аэрозольные частицы имеют размер менее 0,1 мкм (МОДА 2) со средним геометрическим диаметром 0,075 мкм. При точечно-контактной сварке (рис. 9, г) интенсивности мод (значения максимальных концентраций частиц) значительно уменьшаются при переходе от МОДЫ 2 к МОДЕ 4.

Параметры аэроионного состава воздуха рабочей зоны при различных технологиях сварки металла представлены в табл. 4.

Таблица 4

Концентрации аэроионов и интенсивность ионизации воздуха рабочей зоны при сварке металлов

Тип сварки Легкие аэроионы (более 0,1 см2В"'сч) Тяжелые аэроионы (0,00032-0,01000 см2В"'с"1') Интенсивность ионизации, см"3с"'

+ - Коэффициент уни-полярности + - Коэффициент униполярное™

Электродуговая 15800 23400 0,68 22400 29600 0,76 196000

Аргонодуговая 10500 13700 0,76 9700 15400 0,63 2760

Неплавящимся вольфрамовым электродом 5800 13400 0,43 152000 244000 0,62 213000

Точечно-контактная 1500 4800 0,31 34000 57000 0,60 960

Электрическая дуга является мощным источником ионизации воздуха рабочей зоны в силу влиянии ультрафиолетового излучения и термической ионизации. При электродуговой и аргонодуговой сварке преобладают аэроионы отрицательной полярности и наблюдаются значительные концентрации как легких, так и тяжелых аэроионов. Последние по своей природе - заряженные высокодисперсные аэрозольные частицы. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом отмечены значительные концентрации тяжелых аэроионов. Точечно-контактная сварка характеризуется умеренными значениями концентрации легких аэроионов, но значительными концентрациями тяжелых.

Исследовано распределение аэроионов в диапазоне подвижно-стей более 0,1 см2В~'с_1 при электродуговой сварке (рис. 10). Наблюдается группа средних промежуточных аэроионов, что подтверждает описанный при классификации (глава 3) механизм их формирования, поскольку при электродуговой сварке следует ожидать активного протекания процессов конденсации паров и газов расплавленного металла.

оюий^рийоопоаиоддтоюп N«'«14 со <ч" <ч Т-" т-" ">- ^ «. ■ч "Ч т".

«¿Х ""^-¿¿¿¿333333233

£цэ (Ч СЧ ц, МГд

£ о" о о о о о" о о* о'

Диапазон подвижности, смгВ-'с-1

Рис. 10. Спектральное распределение аэроионов при ручной электродуговой сварке

Распределение аэрозольных частиц при лазерной резке малоуглеродистой легированной стали (рис. 11) бимодальное, с модами крупнодисперсной (МОДА 4) и мелкодисперсной (МОДА 3) фракций. Интенсивность МОДЫ 4 незначительна, практически все аэрозольные частицы имеют размер в диапазоне 0,1-10,0 мкм.

Распределение аэрозольных частиц при плавке серого литейного чугуна (рис. 12) является бимодальным, причем мода высокодисперсных частиц (МОДА 2) незначительна, подавляющее число частиц имеет размер от 0,1 до 10,0 мкм.

1000000,00 100000,00 10000,00 'л 1000,00

0 100.00 с

5 10,00

1 1,00 0,10 0,01

Г

ч

/ / ЭКСПЕРИМЕНТ -*-МОДАЗ — МОДА 4 — МОДАЗ+МО^А4

/

/

0,001

0.01 0,1 1 Диаметр О, мкм

100

10000000,00 1000000,00 . 100000,00

3 10000,00 £ 1000,00

4 юо.оо | 10,00

1,00 0,10 0,01 0,001

-«-ЭКСПЕРИМЕНТ -МОД^ 2 - МОДА 3

-МОДА 2+ МОДА 3

=Тн

0,1 1 ю

№1аметро,мкм

Рис. 12. Аэрозольное загрязнение при плавке серого литейного чугуна

\

\

— КГ.ПРРИГ, ЛЕНТ

МОДА 2 V

........I ■ .МП,,! < М

Рис. 11. Аэрозольное загрязнение при лазерной резке стали

Распределение аэрозольных частиц в процессе приготовления формовочной смеси одномодальное (рис.13).

Таким образом, при оценке условий труда учет высокодисперсной фракции аэрозольного загрязнения в первую очередь необходим при механической обработке деталей из алюминия и керамики, при применении точечно-контактного способа сварки и при сварке неплавя-щимся вольфрамовым электродом, а также в процессе приготовления песчано-глинистой формовочной смеси.

Эффективным способом борьбы с рис 13 Аэрозольное загрязнение высокодисперсным загрязнением воздуха При приготовлении песчано-глинистой рабочей зоны является применение аэро- формовочной смеси

ионизирующего оборудования и систем. В связи с этим в шестой главе изложены «Методологические аспекты рационального применения коллективных и индивидуальных средств защиты и нормализации аэроионного состава на рабочих местах». С позиции эффективной обслуживаемой зоны аэроионизаторы предложено разделять:

1) на коллективные средства зашиты и нормализации аэроионного состава - аэроионизаторы, предназначенные для ионизации всего производст-

100000,00 10000,00 Т^ юсо,оо 100,00

□

г ю,оо 1 1,00 0,10 0,01

0,001

0,01 0,1 1 Диаметр О, мкм

венного помещения и обеспечивающие генерацию аэроионов на большой площади покрытия. По виду и типу коронирующих излучателей такие аэроионизаторы можно подразделить: а) на однополярные излучатели-, б) сдвоенные линии излучателей положительной и отрицательной полярности-, в) излучатели переменной полярности-,

2) на индивидуальные средства защиты и нормализации аэроионного состава - аэроионизаторы, предназначенные для ионизации в переделах рабочего места. В свою очередь, такие ионизаторы можно подразделить: а) на ионизаторы, обеспечивающие перенос ионов в рабочую зону вертикальным (сверху) или горизонтальным (сбоку) ламинарным потоком воздуха; б) настольные ионизаторы; в) ионизаторы, размещенные над рабочим местом.

Для оценки технических характеристик и выбора ионизирующего оборудования и систем предложен метод испытаний, основанный на измерении скорости снижения (нейтрализации) заряда с изолированной проводящей измерительной пластины, находящейся в ионизированном воздухе. Скорость нейтрализации заряда может быть охарактеризована через время разряда т, за которое напряжение на пластине снизится с первоначального уровня до определенного конечного уровня:

где ёо - электрическая постоянная воздуха; ц -подвижность аэроиона; е— элементарный электрический заряд; п - концентрация аэроионов.

Предложена методика определения и выбора точек измерений аэроионного состава (рис. 14), позволяющая с единообразных позиций проводить оценку эффективности аэроионизирующего оборудования и систем.

Для проведения инструментальных исследований особенностей аэроионного состава при оценках эффективности аэроионизирующего оборудования и систем разработана схема спектрометра аэроионов, который практически реализован как единичное средство измерения нестандартизованного типа. Его отличительная особенность - применение входного дифференциального каскада электрометрического усилителя и наличие 20 значений граничной подвижности в диапазонах 0,1-10,0 см2В-1о-1. Спектрометр откалиброван с помощью рези-стивного имитатора сверхмалого тока, а также выполнена оценка его показаний исходя из оценки концентрации аэроионов, генерируемых источником 908г известной активности. Калибровка, проведенная с помощью двух принципиально различных по физической природе источников, гарантирует метрологическую достоверность показаний спектрометра.

Исследована неравномерность распределения аэроионов по объему помещения (рис.15) и определены зависимости изменения суммарной концентрации легких аэроионов от расстояния до аэроионизаторов четырех типов.

В случае применения униполярного коронного аэроионизатора без организации потока воздуха через рабочий объем наблюдаются достаточно большие концентрации аэроионов вблизи аэроионизатора, вплоть до превышения установленных санитарных норм, и резкое их уменьшение по мере удаления.

(10)

Коллективные средства защиты и нормализации аэроионного состава

Счетчик

аэроионов

Коронный излучатель

Системы линий однополярных излучателей и сдвоенных линий положительной / отрицательной полярности

Счетчик аэроионов

Коронный излучатель

Системы линий переменной полярности

Индивидуальные средства защиты и нормализации аэроионного состава

Тыльная границ» воздухоподающего устройства

Счете« аэроионов

| Всадухолодяющ»» устройство

Осевая пиния точек измерения

_Вид сверху

Осевая линия точе« измерения

Фронтальная граница воздух о» "подающего устройства

Поток воздуха

Счетчик аэроионов

-15 см

1

V Ионизирующая система

Вид сбоку

Ионизации в направлении вертикального ламинарного потока

Тыльная граница воздухоподаюцего устройства

Воздухоподающеа устройство

Ионизирующая / . , систем« | Поток

Счетчик аэроионов

/Г

тис

Счетчик аэроионов

Осевая линия точек измерения

_Вид сверху

Фронтальная граница " воэдухо* подающего устройства

Поток воздуха

Воздухоподающее устройство

Ионизирующая система

Вид сбоку

Ионизации в направлении горизонтального ламинарного потока

Рис. 14. Методика определения и выбора точек измерений (ТИ) аэроионного состава

Объемная концентрация отрицательных легких аэроионов я, см-3, с большой степенью точности описывается соотношением

п = КеЬг\ (11)

где К и Ь - некоторые числовые коэффициенты, характеризующие конструктивные особенности конкретного аэроионизатора; г - расстояние до аэроионизатора, м.

Зависимости концентраций аэроионов от расстояния до аэроионизатора (рис. 15) позволяют организовать требуемый аэроионный состав непосредственно в зоне воздействия и разработать рекомендации по размещению ионизаторов.

Эмпирическое выражение (11) не согласуется с ранее полученными данными ^и С.С. е! а1., 2006], согласно которым зависимость концентрации аэроионов определяется экспоненциальной функцией от расстояния, а не от квадрата расстояния. Причина этого видится в следующем. С одной стороны, закономерность уменьшения концентрации аэроионов с расстоянием можно рассматривать как следствие имеющих место процессов рекомбинации аэроионов, подчиняющихся закону показательной функции. Убыль числа аэроионов в результате рекомбинации в различных сечениях аэроионного потока является экспоненциальной функцией расстояния. С другой стороны, уменьшение концентрации аэроионов с расстоянием связано с увеличением сечения аэроионного потока и должно убывать обратно пропорционально квадрату расстояния. Очевидно, что закономерности уменьшения концентрации аэроионов являются следствием суммарного действия указанных механизмов. По-видимому, приоритет в реализации одного из них в конкретных исследованиях и приводит к отмеченным различиям в закономерностях убыли аэроионов.

Исследованы параметры спектрального распределения аэроионов в диапазоне подвижностей 0,1-7,9 см2В-1с-1 (рис. 16) и изменения спектрального распределения по мере удаления от аэроионизатора (рис. 17).

В непосредственной близости от аэроионизатора спектр аэроионов значительно отличается от природного спектра долей ионов средней промежуточной (от 0,1 до 0,5 см2В_1с-1) группы подвижности (см. рис. 16). По мере удаления от ионизатора концентрация средних промежуточных аэроионов уменьшается (см. рис. 17).

■ Коронный ионизатор ♦ ANION 40Т AOeLonghiPA-170 □ АЭРОН-М, I режим О АЭРОН-М, II режим Д АЭРОН-М, III режим

0,1 1 ю 100

Квадрат расстояния до ионизатора г2, м2

Рис. 15. Зависимости концентрации аэроионов от расстояния до аэроионизаторов

V V Сэ* > «V /У *У

О" О" С»" О' о' О' О4 О' О'

Диапазоны подвижности, см2В 1с 1

-Аэроионизатор

-Чистый природный воздух [Сальм Я.Й., 1990]

Рис, 16. Распределения по подвижности отрицательных аэроионов

—«—6=20 см -■¿■■-<1=40 см —■—с1=60 см

Диапазоны подвижности, см В 'с Рис. 17. Зависимость распределения аэроионов от расстояния до аэроионизатора

Зависимости концентраций легких отрицательных аэроионов от величины напряжения на коронирующих излучателях при различных расстояниях до аэроионизатора с доверительной вероятностью 0,99 описываются выражениями вида (рис. 18)

«=Х,1п(С/корон)-Х2, (12)

где Х\ и Х% - числовые коэффициенты.

Зависимости коэффициентов Х1 и Х2 от расстояния до ионизатора достоверно с вероятностью порядка 0,99 аппроксимируются функциями (рис. 19)

Хх = 17856бехр(-0,53 84г) (13)

И Х2 = 232755ехр(-0,5046г). (14)

Зависимости концентрации легких отрицательных аэ^оионов, генерируемых ионизатором, от квадрата расстояния до ионизатора г при различных напряжениях на коронирующих излучателях с доверительной вероятностью не менее 0,96 аппроксимируются выражением (11) (рис. 20).

С возрастанием напряжения на коронирую-щих излучателях наблюдается увеличение коэффициента К, физический смысл которого заключается в величине концентрации аэроионов в непосредственной близости от ионизатора. С доверительной вероятностью 0,99 значения коэффициента К в зависимости от величины напряжения на коронирующих излучателях икоро„, кВ, рассчитываются по формуле

«1,6м ■ 2,0 м А 2,4 м Х2,8м Ж 3,2 м • 3,6 и +4,0 м -4,4 м

■А' -■-•у = »■А. .-Ж -- + у =

----------- у

=710551п(*) —97177

-ХУ =425031п(х) — 61658

180000 160000

140000 1 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0

0 10 20 30 40

Напряжение на коронирующих излучателях и^^, кЗ

Рис. 18. Зависимость концентрации аэроионов от напряжения на излучателях £/корон при различных расстояниях до ионизатора

К = 850471п(£/И)рон)-116200.

(15)

120000

а

а> 100000

80000

1 60000

зл

к 1 40000

о

I 20000

с;

0

N

\

N Л

X,

§ га

е

1 2 3 4 5 Расстояние до ионизатора г, м

5 10 15 Квадрат расстояния г!,

Рис. 19. Зависимость коэффициентов Х\ и Х2 от расстояния г до ионизатора

Рис. 20. Зависимость концентрации аэроионов от квадрата расстояния до ионизатора г2 при различных напряжениях на излучателях

Значение коэффициента Ь уменьшается с увеличением напряжения на коронирующих излучателях. Физически это означает, что скорость падения величины концентрации аэроионов по мере роста расстояния до ионизатора уменьшается с увеличением напряжения на коронирующих излучателях. Зависимость величины коэффициента Ъ от величины напряжения на коронирующих излучателях С/корон, кВ, с доверительной вероятностью 0,99 описывается выражением

Ь = Г{

иг

и,

корон

(16)

где У], Г2, Уз, - числовые коэффициенты, Г, = 0,014; Г2 = 2,9; У3 = 0,0002; К) = 0,0985; 1'ко - значение напряжения на коронирующих излучателях, при котором наблюдается перегиб в характеристике, соответствующий переходу от доминирования механизма уменьшения концентрации аэроионов в силу их ре-

комбинации к доминированию механизма уменьшения концентрации аэроионов в силу увеличения объема их присутствия при движении в электрическом поле ионизатора, С/лго=5,8 кВ.

Седьмая глава «Организационные и инженерно-технические основы разработки мероприятий по повышению безопасности воздуха рабочей зоны и улучшению условий труда» посвящена вопросам практического использования результатов работы.

Представлена методология разработки мероприятий по улучшению условий труда. Для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических характеристик воздуха рабочей зоны производственных помещений рекомендован комплекс мероприятий по улучшению условий труда, включающий: уменьшение аэрозольного загрязнения в пределах рабочей зоны-, формирование соответствующего гигиеническим требованиям аэроионного состава воздуха рабочей зоны; снижение/исключение переноса аэрозольного загрязнения по объему производственного помещения.

В качестве технических методов реализации таких мероприятий возможно применение аэроионизирующего оборудования, поскольку между высокодисперсным аэрозольным загрязнением и аэроионным составом воздуха существует тесная взаимосвязь. Однако разработка, безопасность и эффективность практической реализации мероприятий по улучшению условий труда на основе проведения искусственной аэроионизации в определенных ситуациях ограничены. В зависимости от наличия или отсутствия аэрозольного загрязнения и состояния аэроионного состава воздуха рабочей зоны могут быть реализованы только определенные мероприятия по улучшению условий труда (рис. 21).

ХАРАКТЕРИСТИКИ УСЛОВИЙ ТРУДА

Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны выше ГЩК Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны менее ПДК

ПРОВЕДЕНИЕ ИСКУССТВЕННОЙ ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА

Цель: Увеличение скорости седиментации и оседания аэрозольных частиц Предотвращение распространения загрязнения по помещению Дополнительное снижение уровней аэрозольного загрязнения Приведение аэроионного состава в соответствие с гигиеническими нормами

Характер-вые производственные операции: Механическая обработка материалов и изделий, различные виды сварки, лазерная резка, плавка чугуна, приготовление формовочной смеси Подавляющее число рабочих мест в производственных помещениях, работа в условиях электростатического поля, работа с персональными электронно-вычислительными машинами

Ограничения к применению: Обеспечение отсутствия перекрытия зоны ионизации и рабочих зон, исключение присутствия работников в зоне ионизации во время проведения мероприятий Контроль качественных и количественных характеристик аэроионного состава

Рис. 21. Методологические основы выбора мероприятий по улучшению условий труда

Важнейшим мероприятием по улучшению условий труда является организация и осуществление контроля за опасными и вредными производственными факторами с целью оценки условий труда. Действующими нормативными документами предусмотрены регламентация и установление требований к контролю только количественных характеристик аэроионного состава - счетной концентрации аэроионов той или иной полярности. Оценка аэроионного состава не подразумевает учет в качестве санитарно-гигиенической характеристики электрической подвижности аэроионов. Опираясь на полученные результаты исследований, обоснованно можно предположить, что влияние на организм человека аэроионов различных групп подвиж-ностей будет отличаться. Поэтому необходим учет спектрального распределения аэроионов по электрической подвижности как качественной характеристики аэроионного состава.

При организации и осуществлении производственного контроля аэроионного состава воздуха рабочей зоны следует руководствоваться методикой, представленной на рис. 22.

Требования к безопасности аэроионного состава следует считать выполненными если:

1) "ли + ^ли и "ли + ^ли менее 50 ООО см"3;

2) Я^-Д^ 2:400 см-3 и «ли - А-ли ^ 600 см"3;

3) 0,4<^<1,0.

"ли

Требования к качеству аэроионного состава следует считать выполненными, если:

4) зк > 3,0 и > 3,0. "си "си

Приняты следующие обозначения: п- средние значения концентрации аэроионов определенной полярности («+» - положительные аэроионы, «-» - отрицательные) и группы подвижности (ЛИ - легкие аэроионы, СИ - средние аэроионы); Д - доверительное отклонение от среднего значения.

В соответствии с методологией разработки мероприятий по улучшению условий труда (см. рис. 21) получили практическую апробацию методы, методики, средства и технологии улучшения условий труда и повышения качества воздуха рабочей зоны.

Рис. 22. Схема организации производственного контроля аэроионного состава воздуха рабочей зоны

Мероприятия по нормализации аэроионного состава и борьбе со статическим электричеством реализованы в цехе синтетических сеток ОАО «Красно-камский завод металлических сеток». Производственная деятельность в цехе связана с применением синтетических (полиэфирных) нитей, способных при обращении с ними сильно положительно электризоваться, что приводит к накоплению положительных электрических зарядов на рабочих поверхностях. Положительная статическая электризация поверхностей в пределах рабочего места приводит к значительному искажению и отклонению аэроионного состава воздуха (особенно отрицательных аэроионов) от нормативных требований, что, в свою очередь, способствует повышению утомляемости, снижению работоспособности, а также снижению производительности и качества труда.

Все рабочие места в цехе по фактору «Аэроионный состав» до проведения мероприятий не удовлетворяли гигиеническим нормативам, класс условий труда - 3.1. По фактору «Электростатическое поле» на 30 % рабочих мест наблюдались превышения уровней напряженности электростатического поля при условии их воздействия в течение всего рабочего дня (8 часов). При этом по «Химическому фактору» и фактору «Аэрозоли преимущественно фиброгенного действия» отклонений от установленных ПДК не обнаружено, что, позволяет для улучшений условий труда применять аэроионизаторы непосредственно в процессе осуществления производственной деятельности.

В качестве конкретного технического решения предложено использовать аэроионизаторы типа АЭРОН-М. В условиях реальной производственной нагрузки определялись величины концентрации аэроионов в зависимости от расстояния до излучающего элемента аэроионизатора (рис. 23). Оказалось, что для формирования требуемого аэроионного режима (диапазон концентраций отрицательных аэроионов в пределах 600-50 ООО см""3) необходимо обеспечить расстояние до излучателя в пределах 3,5-8,5 м в зависимости от режима эксплуатации аэроионизатора. С учетом размеров помещения цеха рекомендовано аэроионизатор использовать в режиме II. Для обеспечения соблюдения максимально установленных концентраций аэроионов излучатель аэроионизатора размещен в центре помещения на высоте 5,3 м. Аэроионизация в помещении цеха при помощи ионизатора АЭРОН-М проводилась в течение всей рабочей смены. Контроль условий труда производился спустя 1 час после начала смены, в середине и в конце смены. Результаты оценок условий труда в указанные периоды рабочей смены совпадают. Улучшение условий труда и обеспечение допустимых усло-

Расстояние г, м

Рис. 23. Зависимость концентрации аэроионов от расстояния до ионизирующего излучателя в цехе сшивания синтетических сеток

вий труда (класс 2) по фактору «Аэроионный состав» воздуха рабочей зоны и фактору «Электростатическое поле» достигнуто на всех рабочих местах.

Мероприятия по улучшению условий труда шлифовщиков реализованы на участке механической обработки деталей и изделий ОАО «Мотовилихин-ские заводы». В рабочей зоне осуществления операций шлифовки на высоте 4,5 м от пола размещался аэроионизатор. Во время перерывов в операциях шлифовки и отсутствия работника в зоне шлифовки при помощи аэроионизатора осуществлялась искусственная ионизация воздуха. Генерируемые ионизатором аэроионы взаимодействуют с аэрозольными частицами и заряжают их, что, в свою очередь, приводит к более быстрому очищению воздуха. По возвращению шлифовщика в рабочую зону шлифовки аэроионизатор выключался. Поскольку в зоне шлифовки после возвращения работник еще определенное время выполняет иные операции, не связанные с генерацией аэрозоля, то можно говорить о снижении продолжительности воздействия на работника высокодисперсного аэрозольного загрязнения.

Эффективность предложенных мероприятий при шлифовке деталей из керамики проследим по изменению фракционных концентраций аэрозольных частиц во времени (рис. 24). В случае осуществления искусственной ионизации воздуха рабочей зоны после окончания операции шлифовки наблюдается существенно быстрое уменьшение концентрации аэрозольных частиц рес-пирабельной фракции. Без проведения мероприятий по искусственной ионизации наблюдались превышения сред-несменных концентраций пыли керамики над установленными ПДК (2 мг/'м3) в 2,6 раза (класс условий труда 3.2), величина пылевой нагрузки на органы дыхания работника соответствует 3.1 классу условий труда.

В отношении улучшения классов условий труда достигнуты различные результаты в зависимости от продолжительности возможного проведения искусственной ионизации воздуха рабочей зоны шлифовки (определяемого продолжительностью отсутствия работника в зоне).

о,ооо1

Диаметр О, мкм

—в— Во з ремя шлифов ки ...е... Без ионизации, 5 мин после шлифовки • ■ - А- - - Без ионизации, 10 мин после шлифовки Без ионизации, 15 мин после шлифовки Без ионизации, 20 мин после шлифовки а С ионизацией, 5 мин после шлифовки А С ионизацией, 10 мин после шлифовки ■ С ионизацией, 15 мин после шлифовки > С ионизацией, 20 мин после шлифовки

Рис. 24. Динамика изменения фракционных концентраций после окончания операции шлифовки

При периодической ионизации зоны продолжительностью 10 мин средне-сменная концентрация пыли керамики снижается до величины 3,2 мг/м3 (класс условий труда 3.1), при ионизации зоны шлифовки продолжительностью 20 мин - до величины 1,8 мг/м3 (класс условий труда 2). При указанной продолжительности периодической ионизации пылевая нагрузка на органы дыхания снижается до уровней 140 г (класс условий труда 3.1) и 79 г (класс условий труда 2) соответственно. Улучшение условий труда достигнуто на всех рабочих местах, в 65-78 % случаев после внедрения мероприятий условия труда могут быть охарактеризованы как допустимые.

Мероприятия по предотвращению распространения аэрозольного загрязнения по производственному помещению реализованы в сборочном цехе ЗАО «Третий СПЕЦМАШ», в котором расположены рабочие места сварщиков, резчиков и слесарей механосборочных работ. Расположение рабочих зон таково, что можно выделить зону А активного аэрозольного загрязнения (рабочие места, на которых осуществляется сварка и резка металла) и зону Б, на которой выделения аэрозолей в воздух рабочей зоны не происходит (зону осуществления механосборочных работ) (рис. 25). Геометрия производственного помещения и взаиморасположение рабочих мест позволяет также выделить зону переноса загрязнения (зону В) из зоны генерации (т.е. из зоны А) в зону воздействия (т.е. в зону Б). Сущность предложенных мероприятий основывается на формировании «ионной завесы» на границах рабочих зон. В зоне В предложено установить аэроионизаторы. Места расположения и рабочие режимы работы ионизаторов выбираются из следующих соображений. Поскольку ионизация загрязненного воздуха рабочих мест недопустима, перенос аэроионов из зон ионизации в зону генерации аэрозоля А, в которой осуществляют трудовой процесс сварщики и резчики, равно как и в зону воздействия аэрозольного загрязнения Б, должен отсутствовать. Последнее достигается выбором геометрии размещения аэроионизаторов в производственном помещении и выбором рабочих напряжений на коронирующих электродах ионизаторов. Эффективность реализованных мероприятий по улучшению условий труда слесарей механосборочных работ проследим путем исследования параметров изменения массовой концентрации аэрозольных частиц в зависимости от места отбора пробы в производственном помещении. Реализация мероприятий по аэроионизации в

32 м 24 м

16 м

20 м

Рис. 25. Схематическое изображение размещения рабочих мест в производственном помещении

зоне В позволила улучшить условия труда слесарей механосборочных работ по фактору «Аэрозоль преимущественно фиброгенного действия» с класса 3.1 до класса 2 - допустимые условия труда.

Таким образом, эффективность всех предложенных и реализованных мероприятий по улучшению условий труда подтверждена улучшением классов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных автором исследований разработаны, теоретически обоснованы и практически апробированы научные и методологические решения проблемы оценки и установления характера и особенностей взаимосвязи высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха рабочей зоны. Научные решения, изложенные в диссертации, доведены до эмпирических выражений, методик, алгоритмов и методологий. Их применение вносит значительный вклад в развитие системы охраны труда машиностроительного комплекса и позволяет:

- создать современную систему оценки аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха рабочей зоны как опасных и вредных производственных факторов;

- разрабатывать и внедрять научно обоснованные мероприятия, направленные на улучшение условий труда.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные научные и практические результаты и выводы, которые свидетельствуют о достижении поставленных целей и решении сформулированных задач:

1. Условия труда в машиностроительной отрасли и, как следствие, риск возникновения профессиональных заболеваний остаются наиболее неблагоприятными. Показатель профессиональной заболеваемости на машиностроительных предприятиях за период 2006-2010 гг. составлял 3,30-3,65 на 10 ООО работников, что превышает средний показатель по промышленности России, равный 1,52-1,79. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны остается доминирующим опасным и вредным производственным фактором. Доля условий труда, не соответствующих гигиеническим нормативам по фактору аэрозольного загрязнения, составляет порядка 10 %. Профессиональные заболевания, обусловленные аэрозольным загрязнением (порядка 20 %), возникают даже при условии соблюдения действующих гигиенических нормативов и использования принятых в настоящее время методов и критериев оценки. Аэрозольное загрязнение воздуха рабочей зоны определяет условия труда полировщиков, шлифовщиков, резчиков, электрогазосварщиков, слесарей механосборочных работ, формовщиков ручной формовки и наблюдается при механической обработке изделий, сварке и резке металлов, плавке металлов и приготовлении песчано-глинистой формовочной смеси.

2. При оценке условий труда по фактору аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны необходимо учитывать распределение аэрозольных частиц по размерам, особенно высокодисперсной (менее 0,1 мкм) фракции. Последнее ограничено отсутствием доступных прямых методов исследования. В качестве

косвенных показателей высокодисперсного аэрозольного загрязнения могут быть использованы параметры аэроионного состава воздуха рабочей зоны.

3. Впервые проведено обобщение разрозненных и мультидисциплинар-ных знаний о физико-химической природе и механизмах формирования заряженных взвешенных в воздухе частиц и на основе этого определена взаимосвязь аэрозольного загрязнения и аэроионного состава воздуха. Рассмотрены процессы ионообразования, рекомбинации и гидратации, осаждения на аэрозольные частицы. Определены основные ион-молекулярные реакции, протекающие при ионизации воздуха. Доказано, что аэроионы 1Ч2+(Н20)„, 02~(Н20)„ и 0Н"(Н20)п не являются конечными, вторичные ион-молекулярные реакции могут заканчиваться формированием более сложных и активных структур, химический состав которых определяется газовым загрязнением воздуха. Физически обоснована величина граничной электрической подвижности, равная 0,5 см2В-1с"', позволяющая различать газовые и аэрозольные аэроионы. На основе выявленных закономерностей предложена обобщенная классификация аэроионов по подвижности.

4. Уточнена постановка уравнения аэроионного баланса, на основе которого предложено рассматривать физические закономерности взаимосвязи аэрозольного загрязнения с аэроионным составом воздуха. Сделан вывод, что концентрации легких и тяжелых аэроионов определяются параметрами аэрозольного загрязнения. Получены теоретические и эмпирические выражения, определяющие физические принципы вычислений параметров, входящих в уравнение аэроионного баланса: интенсивность ионообразования, коэффициент рекомбинации легких аэроионов противоположной полярности, коэффициент слияния аэроионов и аэрозольных частиц в широком интервале их размеров (порядка 0,01-1,00 мкм).

5. Разработан и описан оригинальный алгоритм, позволяющий аппроксимировать распределение аэрозольных частиц по размерам в виде суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений. Определены критерии выбора числа мод и начальные условия аппроксимации.

6. Впервые разработан косвенный метод оценки высокодисперсного (размером менее 0,1 мкм) аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны. Экстраполяцию аэрозольного распределения частиц крупнодисперсных фракций (размером более 0,1 мкм) в область высокодисперсяых фракций предложено проводить на основе характеристик аэроионного состава. Расчетным путем и экспериментально подтверждено, что содержание в воздухе легких аэроионов определяется содержанием высокодисперсного аэрозоля, а контроль концентраций легких аэроионов позволяет косвенно судить о наличии в воздушной среде аэрозольных частиц высокодисперсной фракции.

7. Предложена специальная модель - воздушная среда сильвинитовых спелеоюшматических камер, в которой впервые проведено моделирование распространения аэрозольного загрязнения по производственному помещению. В качестве моделей реальных производственных условий предложено рассматривать камеры различных типов. Проведены модельные исследования параметров

и закономерностей формирования аэрозольного загрязнения в пределах рабочей зоны, распространения загрязнения от локального источника и от равномерно распределенных по помещению источников. Сопоставления результатов прямых расчетов интенсивности новообразования в модельных воздушных средах с экспериментальными данными, полученными исходя из решения уравнения аэроионного баланса, доказывают достоверность предложенного теоретико-эмпирического аппарата взаимосвязи высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного составов.

8. Впервые определены взаимосвязи и параметры аэрозольного загрязнения и аэроионного состава наиболее характерных для машиностроения производственных операций, таких как холодная механическая обработка деталей из различных материалов (сталь, алюминий, керамика, тефлон), различные типы сварки металлов, лазерная резка металлов, плавка металла и приготовление песчано-глинистой формовочной смеси. Установлено, что при осуществлении указанных операций по факторам «Аэрозольное загрязнение» и «Аэроионный состав» формируются недопустимые условия труда.

9. Разработана классификация аэроионизаторов по физическому принципу действия, по виду коронирующих излучателей, по величине интенсивности генерации аэроионов, а также по применяемому механизму переноса аэроионов из зоны генерации в зону воздействия. Впервые с позиции эффективной обслуживаемой зоны предложено деление аэроионизирующего оборудования и систем на средства коллективной и индивидуальной защиты.

10. Разработан оригинальный методологический подход, позволяющий с единых обоснованных позиций осуществлять оценку эффективности и устанавливать области рационального применения аэроионизаторов. Предложенный подход базируется на исследовании технических характеристик аэроионизаторов путем измерения скорости снижения заряда с изолированной проводящей пластины и методике выбора точек измерения.

11. Определен ряд эмпирических зависимостей, позволяющих формировать требуемый по гигиеническим нормативам аэроионный состав воздуха непосредственно в зоне наиболее продолжительного пребывания работника. При разработке мероприятий по улучшению условий труда и практическом применении аэроионизаторов предложено использовать полученные зависимости концентрации аэроионов от расстояния, интенсивности генерации аэроионов и концентраций побочных химических продуктов ионизации от величины напряжения на коронирующих электродах. Отмечены различия в выявленном характере изменения концентрации аэроионов в зависимости от расстояния до аэроионизатора с результатами, полученными ранее отдельными исследователями, дано объяснение физических причин такого несовпадения.

12. При проведении гигиенической оценки условий труда по фактору «Аэроионный состав» впервые научно обоснована необходимость учета спектрального распределения аэроионов по электрической подвижности. Определены оптимальные спектральные распределения аэроионов по подвижности. Проведены исследования спектрального распределения аэроионов в диапазоне

подвижностей 0,1-7,9 сьЛг'с"генерируемых аэроионизаторами четырех различных типов. В непосредственной близости от аэроионизаторов высокой производительности впервые обнаружен эффект образования дополнительных частиц, электрическая подвижность которых попадает в диапазон 0,1-0,5 см В с , что соответствует средним промежуточным аэроионам, не наблюдающимся при естественной природной ионизации воздуха. По мере удаления от ионизатора эффект генерации средних промежуточных аэроионов уменьшается. Образование средних промежуточных аэроионов обнаружено также при ручной электродуговой сварке, причем концентрации средних промежуточных аэроионов даже превышают концентрации легких. Представлено физическое объяснение закономерностей формирования средних промежуточных аэроионов.

13. Разработаны принципы организации производственного контроля аэроионного состава и предложения по оптимизации существующей нормативной базы, регламентирующей порядок проведения инструментальных исследований аэроионного состава, позволяющие повысить объективность и качество оценки условий труда в рамках проведения аттестации рабочих мест по условиям труда. Предложено проводить отдельные исследования групп легких и средних промежуточных аэроионов. Определены дополнительные критерии и параметры качества и безопасности в отношении аэроионного состава.

14. Впервые создана методология разработки мероприятий по улучшению условий труда и определены основные направления применения аэроионизи-рующего оборудования и систем. Следует различать мероприятия по улучшению условий труда, направленные на нормализацию аэроионного состава, увеличение скорости оседания аэрозольных частиц и естественной очистки воздуха рабочей зоны, а также на уменьшение или исключение распространения аэрозольного загрязнения по объему производственного помещения. Разработаны и внедрены организационные и инженерно-технические решения по улучшению условий труда на основе взаимосвязи высокодисперсного аэрозольного загрязнения и аэроионного состава и проведена оценка их эффективности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

I. Научные статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Черный, К.А. Особенности и основные закономерности формирования аэроионного состава воздуха при проведении профилактических и физиотерапевтических сеансов в помещениях различного назначения / К.А. Черный, A.B. Храмов // Известия ЮФУ. Технические науки.-2010.-№8(109).-С. 196-200.

2. Черный, К.А. К вопросу о методах оценки и коррекции аэроионного состава воздушной среды на рабочих местах операторов ПЭВМ / К.А. Черный // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 9 (110). - С. 70-75.

3. Черный, К.А. Модификация спектра аэроионов при ионизации электрическими коронными аэроионизаторами / К.А. Черный, A.B. Храмов // Вектор науки Толыгттинского государственного университета. - 2010. - № 4 (14). - С. 65-68.

4. Черный, К.А. Основные параметры аэроионного состава воздушной среды помещений и их учет при разработке методик применения коронных ионизаторов / К.А. Черный // Безопасность жизнедеятельности. -2011. -№ 3. - С. 10-15.

5. Черный, К.А. Формирование фракции заряженных наночастиц при искусственной ионизации воздуха рабочей зоны / К.А. Черный // Перспективы науки. - 2011. - № 2(17). -С. 71-74.

6. Черный, К.А. Закономерности изменения концентрации аэроионов при переносе из зоны генерации в зону воздействия / К.А. Черный // Перспективы науки. - 2011. - № 5(20). -С.150-152.

7. Черный, К.А. Современное представление о природе аэроионов и их классификация I К.А. Черный // Безопасность жизнедеятельности. - 2011. - № 7. - С. 15-20.

8. Черный, К.А. К вопросу о классификации аэроионов / К.А. Черный // Перспективы науки. - 2011. - № 5(20). - С. 225-229.

9. Черный, К.А. Обеспечение стандартизованных подходов к сертификации и применению коронных аэроионизаторов на предприятиях машиностроения / К.А. Черный // Вестник ВНИИНМАШ. - 2011. - № 10.-С. 45-47.

10. Черный, К.А. Способ снижения уровня напряженности труда и профессионального стресса путем коррекции ионного состава воздуха рабочей зоны / К.А. Черный, A.B. Храмов//Валеология.-2012.-№ 1.-С. 64-69.

И. Черный, К.А. Аэроионные измерения как метод оценки аэрозольного загрязнения воздуха рабочей зоны /' К.А. Черный // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. -№ 1 (291). - С. 138-143.

12. Черный, К.А. Развитие методов оценки и нормирования аэроионного состава воздуха рабочей зоны и установление критериев применения устройств и систем аэроионизации / К.А. Черный // Вестник ВНИИНМАШ. - 2012. - № 1 (11). - С. 48-51.

13. Черный, К.А. Способ оценки параметров сверхтонкой фракции аэрозольных частиц в воздухе / К.А. Черный // Безопасность в техносфере. - 2012. - № 2. - С. 3-6.

14. Черный, К.А. Совершенствование методов мониторинга безопасности и качества воздуха рабочей зоны при контроле аэроионного состава на современном машиностроительном производстве / К.А. Черный // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2012. -№ 2-3 (292). - С. 121-126.

15. Черный, К.А. Развитие методов оценки и коррекции аэроионного состава воздуха рабочей зоны в целях снижения психофизиологической нагрузки работников / К.А. Черный // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 9(134). - С. 50-55.

16. Черный, К.А. Методологический подход к применению коронных аэроионизаторов при проведении коррекции аэроионного состава воздуха помещений / К.А.Черный // Инженерно-строительный журнал. - 2012. - № 6 (32). - С. 48-53.

П. Публикации, включенные в международные реферативные базы данных:

17. Chernyy, К. A. The air ion mobility spectra of corona air ionization / K.A. Chernyy // International Conference «Defense, Science & Research (DSR 2011)», 3-5 August, 2011, Singapore. Abstracts &Proceedings. - Singapore: IEEE Catalog Number: CFP1117M-CDR, ISBN 978-1-42449275-6, IEEE Xplore Digital Library, Digital Object Identifier (DOI): 10.1109/DSR.2011.6026819. http://ieeexplore.ieee.org/xpVfreeabs j^jsp?amumber=6026819

III. Монографии, учебно-методические издания:

18. Черный, К.А. Аэроионизация как фактор производственной среды: методические рекомендации / К.А. Черный, Г.З. Файнбург. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2001. - 67 с.

19. Черный, К.А. Мониторинг опасных и вредных производственных факторов яа рабочих местах: методическое пособие / К.А. Черный. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2004. -125 с.

20. Черный, К.А. Оценка условий труда, обусловленных факторами производственной среды / К.А. Черный, Г.З. Файнбург // Аттестация рабочих мест по условиям труда: учеб. пособие / А.Л. Сафонов [и др.].-М., 2005. - Гл. 4. - С. 99-226. - (Серия: Охрана труда).

21. Черный, К.А. Оценка условий труда, обусловленных факторами производственной среды / К.А. Черный, Г.З. Файнбург // Аттестация рабочих мест по условиям труда: учеб. пособие / А.Л. Сафонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Золотой теленок, 2006. - Гл. 4. -С. 102-230.

22. Черный, К.А. Оценка условий труда, обусловленных факторами производственной среды / К.А. Черный, Г.З. Файнбург // Аттестация рабочих мест по условиям труда: учеб. пособие / А.Л. Сафонов [и др.]. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Золотой теленок, 2007. - Гл. 4. -С. 103-230.

23. Черный, К.А. Мониторинг опасных и вредных производственных факторов на рабочих местах: учебно-методическое пособие / К.А. Черный. - 2-е изд., перераб. и доп. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - 178 с.

IV. Научные статьи, опубликованные в прочих изданиях:

24. Черный, К.А, Некоторые проблемы мониторинга за аэроиокной обстановкой при создании оздоровительной воздушной среды / К.А. Черный // Научно-практические аспекты управления качеством воздуха «ВОЗДУХ'95»: тез. докл. междунар. конф. - СПб., 1995. -С. 177-178.

25. Черный, К.А. Мониторинг ионосодержания как метод анализа качества воздушной среды / К.А. Черный // Современные проблемы санаторно-курортного дела: материалы междунар. конгр. по курортологии (медицинская климатология, бальнеология, гидрология, гидротермальная техника). - М., 1996. - С. 118.

26. Черный, К.А. Оптимизация азроионно-азрозольного состава оздоровительной воздушной среды в сильвинитовых спелеоклиматических камерах разной конструкции / К.А. Черный, Г.З. Файнбург, М.Т. Шаров // Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха «ВОЗДУХ'98»: тез. докл. междунар. конф. - СПб., 1998. -С. 12-13.

27. Черный, К.А. Управление аэроионным режимом воздушной среды офисного помещения с помощью аэроионизаторов различных конструкций / К.А. Черный // Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха «ВОЗДУХ'98»: тез. докл. междунар. конф. -СПб., 1998.-С. 87-88.

28. Черный, К.А. Способ экспресс-оценки содержания легких аэроионов в замкнутом помещении применительно к воздушной среде сильвинитовых спелеокамер / К.А. Черный // Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха «ВОЗДУХ'98»: тез. докл. междунар. конф. - СПб., 1998. - С. 92-93.

29. Черный, К.А. К вопросу о приборах оперативного контроля аэроионной обстановки воздушной среды / К.А. Черный // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии (ФРЭМБ-98): материалы 3-й междунар. науч.-практ. конф. - Владимир, 1998. - С. 290.

30. Черный, К.А. Аэроионизация воздушной среды как важный элемент мероприятий по охране труда при работе в замкнутых помещениях / К.А. Черный И Современные аспекты и проблемы охраны труда «ОХРАНА ТРУДА-98»: материалы Рос. науч.-практ. конф. - Пермь, 1998.-С. 169-170.

31. Комплексный мониторинг физических параметров качества воздуха / М.Т. Шаров, И.А. Нельсон, Г.З. Файнбург, К.А. Черный // Современные аспекты и проблемы охраны труда «ОХРАНА ТРУДА-98»: материалы Рос. науч.-практ. конф. - Пермь, 1998. -С. 170-171.

32. Опыт и перспективы использования калийных солей для улучшения воздулшой среды рабочих мест / JIM. Папулов, Г.З. Файнбург, В.М. Вотяков, М.Т. Шаров, К.А. Черный, О.П. Ипанова И Современные аспекты и проблемы охраны труда «ОХРАНА ТРУДА-98»: материалы Рос. науч.-практ. конф. - Пермь, 1998.-С. 171-172.

33. Черный, К.А. Проблемы формирования качественной ионизированной воздушной среды в помещениях / К.А. Черный // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: докл. IV Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием: в 2 т. / под ред. проф. Н.И. Иванова; Балтийский гос. техн. ун-т «ВОЕНМЕХ». - СПб., 1999. - Т. 2. - С. 186.

34. Черный, К.А. Количественные или качественные параметры ионизации воздушной среды в помещениях - что важнее? / К.А. Черный, Г.З. Файнбург // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: сб. докл. Междунар. эколог, конгр.: в 2 т. / под ред. Н.И. Иванова; Балтийский гос. техн. ун-т. - СПб., 2000. - Т. 2. - С. 55-58.

35. Параметры воздушной среды спелеоклиматической камеры нового конструктивного решения / О.П. Ипанова, Г.З. Файнбург, К.А. Черный, И.П. Корюкина, Н.В. Минеева, М.Т. Шаров // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: сб. докл. Междунар. экологического конгр.: в 2 т. / под ред. Н.И.Иванова; Балтийский гос. техн ун-т «ВОЕНМЕХ». - СПб., 2000. - Т. 2. - С. 62-65.

36. Черный, К.А. Качественные параметры ионизации воздуха рабочей зоны - важный показатель при проведении аттестации рабочих мест по условиям труда / К.А. Черный, Г.З. Файнбург // Охрана труда на рубеже третьего тысячелетия: материалы Рос. науч.-практ. конф.-Пермь, 2001.-С. 137-141.

37. Черный, К.А. Анализ параметров воздушной среды сильвинитовых спелеоклиматиче-ских камер различных конструкций / К.А. Черный // Спелеоклиматотерапия: методики и эффективность применения: материалы Рос. науч.-практ. школы-семинара. - Пермь, 2002 -С. 85-93.

38. Черный, К.А. Аэроионизация как подконтрольный параметр санитарно-гигиенического состояния воздушной среды - проблемы и пути решения / К.А. Черный И Научно-технические, социальные и экономические проблемы воздушной среды: тез. докл. междунар. конф. «ЕЮЗДУХ'2004» / под ред. Н.З. Битколова, Ю.И. Мусийчука. - СПб., 2004. - С. 33-35.

39. Черный, К.А. Актуальные вопросы формирования качественной ионизированной воздушной среды в помещениях различного назначения / К.А. Черный // Качество воздушной среды: материалы V Междунар. конф. «ВОЗДУХ'2007» / под ред. Г.В. Бектобекова, Ю.И. Мусийчука. - СПб., 2007. - С. 186-189.

40. Черный, К.А. Ионизация воздуха: нормирование, способы проведения, опыт исследования / К.А. Черный Н Качество воздушной среды - потребление, здоровье, экономика: материалы VI Междунар. конф. «ВОЗДУХ'2010» / под ред. Н.З. Битколова. - СПб., 2010. -С. 103-106.

41. Черный, К.А. К вопросу о применении коронного разряда при ионизации воздуха в помещениях / К.А.Черный // Высокие технологии и фундаментальные исследования. Т. 3: сб. тр. Десятой междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» / под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: Изд-во политехи, ун-та, 2010.-С. 395-396.

42. Черный, К.А. Оценка субмикронной фракции аэрозольных частиц в воздухе рабочей зоны по измерению концентраций легких аэроионов / К.А. Черный, A.B. Храмов // ELPIT-2011. Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сб. тр. III Междунар. науч.-техн. конгр. (V Междунар. науч.-практ. конф.), науч. симп. «Экологический мониторинг промышленно-транспортных комплексов». - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2011. - Т. 4. - С. 336-341.

43. Черный, К.А. К вопросу об оценке эффективности и безопасности способов коррекции аэроионного состава воздуха рабочей зоны / К.А. Черный И Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сб. материалов V междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. / под ред. А.И. Сидорова. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. - Т. 2. -С. 184-189.

Издательство Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д.Ф. Устинова. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Тираж 130 экз. Заказ № 31

Отпечатано в типографии БГТУ. 190005, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УСТИНОВА

На правах рукописи

0520135045;

ЧЕРНЫЙ КОНСТАНТИН АНАТОЛЬЕВИЧ

ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ И ВЗАИМОСВЯЗИ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И АЭРОИОННОГО СОСТАВА ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

05.26.01 - Охрана труда (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор медицинских наук, профессор Храмов А.В.

Санкт-Петербург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................16

1.1. Тенденции изменений условий труда машиностроительного производства и актуальные подходы

к обеспечению безопасности воздуха рабочей зоны..........................................16

1.2. Современные подходы к гигиеническому нормированию аэрозольного загрязнения. Модели распределения аэрозольных частиц

по размерам.............................................................................................................23

1.3. Аэроионный состав как вредный производственный фактор. Гигиеническое нормирование аэроионного состава воздуха............................40

1.4. Взаимосвязь аэрозольного загрязнения и аэроионного состава. Электрические факторы аэрозольной чистоты воздуха.....................................44

1.5. Выводы по разделу и задачи исследования..............................................48

2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ТРУДА

И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ЗАБОЛЕВАЕМОСТИ,

ОБУСЛОВЛЕННОЙ НЕГАТИВНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

ФАКТОРОВ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ............................................................52

2.1. Анализ состояния условий труда и профессиональной заболеваемости

в машиностроительной отрасли Российской Федерации...................................52

2.2. Анализ условий труда на ведущих предприятиях

машиностроительного комплекса Пермского края.............................................63

2.3. Основные источники аэрозольного загрязнения, оценка условий труда и уровней профессионального риска на рабочих местах

машиностроительного холдинга...........................................................................69

2.4. Выводы по разделу......................................................................................75

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОДЫ

И РАЗМЕРОВ ВЗВЕШЕННЫХ В ВОЗДУХЕ ЧАСТИЦ И ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ АЭРОИОННОГО СОСТАВА................................................78

3.1. Современное представление о природе аэроионов

и заряженных аэрозольных частиц.......................................................................79

3.2. Физические характеристики аэроионов

и заряженных аэрозольных частиц как фактора

производственной воздушной среды....................................................................99

3.3. Спектральное распределение аэроионов.................... .............................112

3.4. Обобщенная классификация аэроионов..................... .............................120

3.5. Выводы по разделу....................................................................................124

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И АЭРОИОННОГО СОСТАВА. АПРОБАЦИЯ НА МОДЕЛИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ........................................126

4.1. Постановка уравнения...............................................................................126

4.2. Интенсивность ионообразования.............................................................129

4.3. Коэффициент рекомбинации легких аэроионов.....................................131

4.4. Коэффициент коагуляции.........................................................................132

4.5. Алгоритм моделирования распределения аэрозольных частиц

по размерам...........................................................................................................137

4.6. Апробация теоретико-эмпирического аппарата.....................................141

4.7. Выводы по разделу....................................................................................201

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОЗОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И АЭРОИОННОГО СОСТАВА

НА РАБОЧИХ МЕСТАХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ.....206

5.1. Аэрозольный и аэроионный состав воздуха рабочей зоны

при ручной механической шлифовке деталей и изделий.................................207

5.2. Аэрозольный и аэроионный состав воздуха рабочей зоны

при различных технологиях сварки металлов...................................................212

5.3. Аэрозольный и аэроионный состав воздуха рабочей зоны

при лазерной резке материалов...........................................................................220

5.4. Аэрозольный и аэроионный состав воздуха рабочей зоны при плавке металлов и приготовлении

песчано-глинистой формовочной смеси............................................................222

5.5. Выводы по разделу....................................................................................226

6. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЛЕКТИВНЫХ

И ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И НОРМАЛИЗАЦИИ АЭРОИОННОГО СОСТАВА НА РАБОЧИХ МЕСТАХ....................................228

6.1. Основные типы и конструкции современных аэроионизаторов..........230

6.2. Средства измерения при исследовании аэроионного состава..............236

6.3. Метод оценки эффективности аэроионизирующего оборудования

и систем..................................................................................................................252

6.4. Методика определения и выбора точек измерений

аэроионного состава при использовании коронных аэроионизаторов...........258

6.5. Распределение искусственно генерируемых коронными ионизаторами аэроионов по объему помещения........................................................................264

6.6. Особенности спектрального распределения аэроионов

при коронной ионизации воздуха.......................................................................269

6.7. Зависимости генерации легких аэроионов и побочных продуктов химических реакций

от напряжения на коронирующих излучателях.................................................278

6.8. Выводы по разделу....................................................................................284

7. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ И ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ И УЛУЧШЕНИЮ УСЛОВИЙ ТРУДА..............288

7.1. Методология разработки мероприятий по улучшению условий труда машиностроительных производств.....................................................................288

7.2. Организация производственного контроля за аэроионным составом воздуха рабочей зоны...........................................................................................291

7.3. Практическое использование результатов исследований и оценка эффективности мероприятий по улучшению условий труда...........................298

7.4. Выводы по разделу....................................................................................313

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................324

ПРИЛОЖЕНИЕ.

АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ......355

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Согласно приоритетным направлениям современной модернизации экономики России одной из важнейших отраслей, определяющей и обеспечивающей переход к прогрессивным и инновационным технологическим укладам, является машиностроение.

Высокие требования, предъявляемые к обеспечению качества продукции машиностроительного предприятия в силу увеличивающейся конкуренции и быстро меняющихся потребностей рынка, ставят разносторонние и сложные задачи по изучению вопросов охраны труда, которые призваны обеспечить не только безопасность, но и комфортность условий труда с целью повышения работоспособности.

В связи с наблюдаемыми изменениями в современном машиностроительном производстве, связанными с особенностями применяемых сырьевых материалов, промежуточных и готовых продуктов, способов производства, а также с увеличением количества и интенсивности отдельных, в том числе и новых, технологических процессов, обновляются и проблемы охраны труда. Важнейшей из проблем охраны труда на предприятиях машиностроения остается проблема поддержания безопасности и качества воздуха рабочей зоны. Современное машиностроение характеризуется увеличением производственного воздействия на воздух рабочей зоны, обусловленного образованием и выделением большого количества взвешенных аэрозольных частиц, в том числе и электрически заряженных.

Высокодисперсное аэрозольное загрязнение представляет особую опасность, отнесено Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) с 2010 г. к приоритетным опасным и вредным производственным факторам 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 машино-

строительных производствах пластмассовых, полимерных и композитных материалов и обрабатываемых деталей из высокопрочных сплавов, в том числе полученных при помощи нанотехнологий.

Методология оценки высокодисперсного аэрозольного загрязнения в реальных производственных условиях машиностроительного предприятия еще недостаточно отработана. 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.

Кроме того, до сих пор остаются практически не изученными вопросы о характере и особенностях его взаимосвязи с другими факторами безопасности и качества воздуха рабочей зоны. К таким факторам, в первую очередь, следует отнести его аэроионный состав, поскольку значимость влияния аэроионного состава как на аэрозольное загрязнение, так и на напряженность труда, самочувствие работника и его работоспособность отмечена многими исследователями. Актуальность и необходимость всестороннего и комплексного изучения аэроионного состава как параметра безопасности и качества воздуха рабочей зоны усиливают и современные тенденции изменения роли и места работника в производственном процессе. Труд работника становится все более интеллектуальным, увеличивается количество объектов, которыми он должен управлять, возрастают скорости управляемых им процессов, широко применяется дистанционное управление. В связи с этим все большее внимание уделяется вопросам борьбы с психофизиологическими перегрузками работников.

Таким образом, для объективной оценки безопасности и качества воздуха рабочей зоны проблема совершенствования системы оценки аэрозольного загрязнения как опасного и вредного производственного фактора, а также его взаимосвязи с параметрами аэроионного состава имеет наиболее важное и актуальное значение.

Приведенное описание актуальности проблемы 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.

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

) ,(11 (1 11 )»', я, !

I I I

м.)

V «'»

>У

'■чи^ч!

<,,<(* I

> \

II < 1

•н I

Лч ,

ЛЧ'

проверка разработанных алгоритмов, методик, моделей и технологий в процессе опытного внедрения результатов исследований.

Научная новизна исследований:

1. Впервые научно обоснована необходимость учета электрической подвижности аэроионов при оценке безопасности и качества воздуха рабочей зоны.

2. Впервые обнаружена аномально высокая генерация средних промежуточных аэроионов при использовании электрических коронных аэроионизаторов. Определены оптимальные спектральные распределения аэроионов по подвижности.

3. Разработан косвенный метод оценки высокодисперсного (размер частиц менее 0,1 мкм) аэрозольного загрязнения на основе параметров аэроионного состава.

4. Определены эмпирические зависимости изменения концентраций аэроионов различной подвижности от расстояния до ионизаторов, позволяющие существенно повысить эффективность разрабатываемых мероприятий по улучшению условий труда.

5. Разработан системный подход к оценке эффективности и установлению области рационального применения аэроионизирующего оборудования как средств индивидуальной и коллективной защиты.

6. 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; доста-

точным 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 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.

2. Разработана методика оценки распределения аэрозольных частиц высокодисперсной фракции на основе измерений характеристик аэроионного состава воздуха рабочей зоны.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Впервые с позиции как объемных концентраций аэроионов, так и их спектрального распределения по электрической подвижности получены функциональные зависимости параметров аэроионного