автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Эколого-аналитический мониторинг ремонтных предприятий

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ ВЯЧЕСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

ЭКОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2006

Работа выполнена в ФГОУ ВГГО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Добролюбов И. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Крохта Г. М.

кандидат технических наук, доцент

Гладков А. К.

Ведущая организация:

Государственное научное учреждение Сибирский физико-технический институт аграрных проблем (ГНУ СибФТИ)

Защита диссертации состоится ЗХ РЗ 2006 г. в /0 часов на заседании диссертационного совета Д 220.048.01 в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 630039, г. Новосибирск, ул. Добролюбова, 160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Гуськов Ю.А.

200£Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В производственных помещениях в воздухе рабочей зоны при выполнении сварочных, наплавочных, при обкатке и регулировке двигателей внутреннего сгорания и других работах в специализированных ремонтных предприятиях (СРП) и ремонтно-механических мастерских (РММ) выделяется большое количество вредных веществ (ВВ), относящихся к I и II классам опасности. Одним из главнейших источников загрязнения воздушно-газовой среды рабочей зоны являются ДВС. В ОГ ДВС содержатся продукты неполного сгорания топлива, в том числе токсичные, что приводит к росту заболеваемости механизаторов, составляющей 10 + 37% от суммарной заболеваемости.

Существующие методики измерения концентрации вредных выбросов (КВВ) в воздухе рабочей зоны базируются, в основном, на закономерностях накопления этих выбросов в стационарном режиме. Для более точного и достоверного экологического автоматического мониторинга рабочей зоны (выбора мест установки датчиков, быстродействия газоанализаторов и др.) необходимо учитывать динамику распространения ВВ.

В настоящее время на РММ, СРП и СТО, проводится только эпизодический контроль состояния производственной среды, отсутствует постоянный оперативный мониторинг КВВ ремонтных предприятий. Поэтому разработка систем оперативного автоматического компьютерного эколого-аналитического мониторинга (САЭМ) для служб техсервиса и ремонта сельскохозяйственного назначения, является актуальной задачей. Кроме того, применение САЭМ позволит выявить выбросы ВВ через уплотнения ДВС и воздушные магистрали.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР ГНУ СибФТИ 06.Н «Разработать методы информационного обеспечения автоматизированных технологических комплексов экспертизы и управления состоянием сельскохозяйственной техники (АТК ЭУ)», номер государственной регистрации 01.200.20.25.25, в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» по теме «Эколого-аналитический мониторинг источников загрязнения ремонтно-механических мастерских, ремонтных предприятий и СТО (на примере испытания ДВС)», номер государственной регистрации 01.200.201130.

Цель исследования. Разработать методику и технические средства автоматического эколого-аналитического мониторинга состояния рабочей зоны производственной среды (на примере испытания ДВС).

Объект исследования - процесс эколого-аналитического мониторинга состояния производственной среды РММ, СРП и СТО.

Предмет исследования - закономерности, связывающие диагностические параметры со структурными параметрами распространения ВВ и их измерения в рабочих помещениях РММ, СРП и СТО.

Рабочая гипотеза:

Улучшения санитарно-гигиенических показателей производственной среды помещений РММ, СРП и СТО можно достичь за счет оперативного мониторинга выбросов ВВ (на примере испытаний ДВС) с помощью САЭМ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

уточнены зависимости, связывающие выбросы ВВ с техническим состояни-

ем ДВС;

получены закономерности, отражающие влияние различных факторов, при эколого-аналитическом мониторинге производственной среды;

получены закономерности распространения ВВ от источников в рабочую зону; обоснованы исходные требования к САЭМ (на примере испытаний ДВС). Практическая значимость. Разработанный способ оперативного эколого-аналитического мониторинга производственной среды и САЭМ позволяют:

обеспечить своевременное предупреждение и защиту рабочего помещения от появления недопустимых КВВ;

снизить трудоемкость измерения КВВ, улучшить санитарно гигиенические условия труда обслуживающего персонала РММ, СРП и СТО. Результаты исследования использованы в СибФТИ СО РАСХН.

САЭМ как подсистема измерительной экспертной системы двигателя внедрена на предприятиях: Автобаза «Почта России» и учебный парк НГАУ (поселок Тулинский). На кафедре электрификации НГАУ разработанная методика эколого-аналитического мониторинга использована в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на международных научно-практических конференциях: «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» (Новосибирск, 2003г.); «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов» (Новосибирск, 2003 г.); «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Москва, 2004); «Агро-инженерная наука - итоги и перспективы» (Новосибирск, 2004г.); «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург, 2005п); «Экология и сельскохозяйственная техника» (Санкт-Петербург, 2005г.); «Достижения науки - агропромышленному производству» (Челябинск, 2005г.).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 10 печатных работах в том числе 1 положительное решение на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Содержит страниц машинописного текста, таблиц,_рисунков и приложения. Список использованной

литературы включает 112 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан анализ состояния рабочей зоны производственных помещений РММ сельскохозяйственных предприятий, а также СРП и СТО.

Создание САЭМ является актуальной задачей. Исследованиями закономерностей возникновения и распространения ВВ в рабочую зону производственных помещений занимались ученые: Э.А. Арустамов, Е.В. Беренштейн, В.А. Вагнер, В.А. Воронский, Д.О. Горелик, О.И. Демочка, Л.К. Исаев, С. Колверт, В.А. Корчагин, В.Н. Луканин, Ю.В. Новиков, Н.Г. Рыбальский, И.Л. Шегалов и другие. Разработке оперативных методов контроля технического состояния ДВС посвящены работы ученых: Альт В.В., Д.М. Воронина, И.П. Добролюбова, В.М. Лившица, В.Н. Михлина, И.П. Терских и др. Научные основы измерения и анализа ОГ ДВС разработаны учеными: H.A. Барановым, A.B. Колчиным, Г.М. Крохтой, АЛ. Новоселовым, Н.П. Самойловым, В.И. Смайлисом и другими учеными.

Анализ литературных источников показал, что в ОГ ДВС одним из главнейших источников загрязнения воздушно-газовой среды РММ, СРП и СТО являются ДВС, испытания которых проводятся при диагностировании, техобслуживании и ремонте. В ОГ ДВС содержатся продукты неполного сгорания топлива (более 200 различных соединений), которые включают следующие компоненты: нетоксичные - 02, Н2, Н20, С02; токсичные - оксид углерода СО, оксиды азота Ж)х, различные углеводороды простого и сложного строения СпНт, сероводород Н28 (при сжигании сернистых дизельных топлив), оксиды серы Б02 и БОз, альдегиды ИСНО, формальдегид, сажу, соединения свинца; канцерогенные - бензапирен (полициклический ароматический углеводород С20Н12), пирен, антрацен.

На распространение выбросов ВВ наиболее существенно влияют режимы работы ДВС, скоростной, нагрузочный, температурный, воздухоснабжение и техническое состояние. Максимальные выбросы СО наблюдаются на холостом ходу и на номинальных оборотах двигателя. Максимально выбросы N0 растут пропорционально росту нагрузки. Существенное влияние оказывает техническое состояние ДВС. При изменении угла впрыска топлива, от раннего до позднего, концентрация N0 увеличивается в 7+10 раз.

Контроль КВВ в РММ, СРП и СТО в настоящее время основан на эпизодическом отборе проб воздуха из загрязнённых помещений и их анализе с помощью отдельных приборов. Поэтому он является трудоёмким, неоперативным и малоэффективным. Контроль же уровня шума в рабочих помещениях, а также их освещенности и запыленности, как правило, не проводится. Проанализированы существующие методы эколого-аналитического мониторинга и приведена их классификация. Все методы можно разделить на физические и физико-химические. Для определения основных компонентов наиболее часто применяются следующие методы анализа: волюмометрический, хроматографический, спектроскопический (инфракрасный) и магнитоэлектрический. Большинство этих методов основаны на взятии проб в стационарных режимах работы источников загрязнения и являются трудоемкими и дорогостоящими.

На основании проведенного анализа и поставленной цели, были сформулированы задачи исследования:

уточнить известные и выявить новые закономерности динамики распространения вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС, в рабочую зону производственной среды;

провести экспериментальные исследования по выявлению значимо влияющих факторов на динамику распространения вредных веществ в рабочую зону и подтверждения теоретических предпосылок исследования;

разработать методику и технические средства автоматического эколого-аналитического мониторинга состояния рабочей зоны производственной среды (на примере испытания ДВС);

обосновать исходные требования к техническим средствам эколого-аналитического мониторинга рабочей среды (на примере испытания ДВС), оценить технико-экономическую эффективность их внедрения.

Во второй главе рассматриваются закономерности образования выбросов вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Объем ОГ для четырехтактных ДВС без наддува и с наддувом:

а, = 0,0108?7„ Хíx Vs xи—(1 ±9Ш1) чм3/ч (1)

t + 273 а

Q0l =8,21^x/xFsx«^(l±M^) нм% (2)

Здесь p6 - барометрическое давление; t - температура окружающего воздуха; рк - давление наддувочного воздуха; Тк - температура наддувочного воздуха; а-у -суммарный коэффициент избытка воздуха; i - число цилиндров; r¡„ - коэффициент наполнения цилиндра; Vs - рабочий объем цилиндра; <р- коэффициент продувки; п число оборотов двигателя в 1 /мин; а - коэффициент избытка воздуха.

Объёмный поток ОГ в стационарном режиме работы определяется по формуле: Q 10'6aJüGTT^/PK,M3K (3)

где а„ - коэффициент избытка воздуха; 10 - теоретически необходимое количество воздуха (в килограммах) для сгорания 1кг топлива; GT - часовой расход топлива, кг/ч; Тк - абсолютная температура воздуха после компрессора, К (для безнаддувных дизелей Тк=Т0=273К); Рк - давление наддувочного воздуха, Мпа (для безнаддувных дизелей РК=Р0, где Р0 - атмосферное давление).

В ОГ, кроме того, содержится сажа с размерами твёрдых токсичных веществ (ТТВ) 0,7...8мкм. Твёрдые частицы, адсорбировавшие ядовитые газы, также могут приобрести токсический характер.

Масса просачивающегося выброса /-го загрязняющего вещества в рабочую зону равна: т, туЛ,Пр к„(1-Т]) , где myú, - удельное выделение /-го загрязняющего вещества; Пр- расчетная производительность испытательного стенда; к„ - поправочный коэффициент, учитывающий особенности просачивания выбросов на данном стенде и ДВС; т) - эффективность средств очистки выбросов (в долях единицы), при отсутствии этих средств tj=0.

При регулировке и обкатке ДВС на топливных и тормозных стендах, кроме того, происходит испарение топлива и смазочных материалов (содержащих ВВ).

Для оперативного мониторинга распространения ВВ в рабочую зону была изучена динамика их распространения, при этом использовались обобщенные уравнения динамики:

доя газообразных веществ - (V/RTJdP/dt Qp=M, где V- объём помещения; R - газовая постоянная, Тг - абсолютная температура газа; Р, р - давление и плотность газа; Q, М- результирующие объёмный и массовый потоки газа (в единицу времени);

для испарения жидких веществ - m<tfEe/dt=WJie, где те, Ев- масса и жидкостный коэффициент вещества; Wx - результирующий поток испаряемой жидкости (в единицу времени)

для поступательного и вращательного движения ТТЧ - mjdv/dt=FT; Jjd(o/dt=MT, где тТ и J¡ масса и момент инерции ТТЧ; FT и Мт - результирующие движущие сила и момент силы.

Изменение КВВ в воздухе рабочей зоны можно представить как непрерывный случайный процесс. При этом справедливо предположить, что переход воздуха рабочей зоны из одного состояния в другое зависит не от всего прошлого, а

только от предшествующего момента времени . В этом случае процесс можно

считать марковским и для его полного описания достаточно знать одномерную плотность распределения вероятностей IV, (г,,. I¡) и двумерную условную плотность распределения вероятности перекода I , (у, !_),_,. 1 = 2,п. где значения процесса^, у, у,, соответствуют мгновенным значениям времени , /,_/

Вероятностные характеристики изменения КВВ описываются дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных параболическою типа (первым уравнением Колмогорова):

(I (М|у„ >'>) _ (у./|У(,./й) к: (у,,.!,,)?' 1 0-/|.*в./й) (4)

' д У« 2 гу:ь

где К ¡{у „,(„). К , (у,, ./„)- коэффициенты сноса и диффузии (V// / - символ статистического усреднения по I' ):

А / ьп '„ )= „^„-—^'1* - 1оУ1* 'А + %> >0 'о У V* = " I1 * - V;}

Аг ,п* 'о^'Ч;* Ы = ,Ьт пк'\У*->(>п

Кроме того, требуется, чтобы выполнялось условие:

^оТ^УУ-'о^1 А '0+Ы>0 '0)^*

Задавая начальные условия в виде И' (у„./„). получим уравнение для II / (), /)- И' (у, ?). называемое вторым уравнением Колмогорова:

с Г су * 2 С г

Так как допустимо задание начального условия и (Уи /,,) = <$(у - V,,) • ПРИ этом )• то второе уравнение Колмогорова для Г (у./)-

называемое уравнением Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК) имеет вид:

ч II у

Полагая, что процесс > (Допределен на всей числовой оси ( — оо <у<сс ). граничные условия формулируются в виде /)= IV(х. /)= 0.

Рассмотрена газодинамическая модель изменения КВВ как динамической стохастической системы, понимая под каждой реализацией путь, пройденный молекулой газа. Пусть имеем ансамбль реализаций процесса у/1) При дельтообразных начальных условиях из точки V,, выходит большое количество молекул. Их концентрация (плотность) в момент / в точке I пропорциональна распределению и (, /).

Величина (,,„„ - /)И (1 /)- систематический конвекционный поток молекул газа вдоль оси 1 Помимо конвекционного движения в газе происходит

У (7)

процесс диффузии. Поток диффузии npHK2(y,t)= К2 = const пропорционален градиенту КВВ и направлен от большей плотности (концентрации) к меньшей, поэтому диффузионный поток равен: K2dW(y,t) 2 ду

Полный поток G(у,/) по оси .у равен:

2 ду

Тогда уравнение (5) для изменения КВВ запишется в виде dw(y, t)^dG{y,t) = Q dt ду

Ввиду того, что время корреляции Тк процесса изменения КВВ в рабочей зоне много меньше постоянной времени газоанализатора, то реальный случайный процесс у (/) описывающий изменение КВВ в рабочей зоне, можно заменить «эквивалентным» белым шумом n(t) Тогда для винеровского процесса d % / dt - n(t), с учетом нормальности белого шума и того, что М {п (/)} = 0; R (г) = (;V0 / 2)<5 (г), при нулевых начальных условиях имеем плотность распределения вида:

W({,t)=(l/JxN0 t)exp{-Z2/N0 /}. (10)

Переход в следующий класс состояния воздушной среды рабочей зоны -достижение ПДК определяем по моменту достижения процесса изменения КВВ заданной границы. Так как при переходе в этот класс состояния рабочая зона меняет свою структуру, то можно указанные границы считать поглощающими, т.е. процесс обрывается в момент достижения границы. Обозначим через b и а верхнюю и нижнюю границы и полагая, что начальное значение у = у0 при t =t0 находится внутри интервала [а,Ь], т.е. а < уд < Ь и WQ , tQ )- S (у - yg ). Тогда среднее время Т,=Т, (а,у0,Ъ) первого достижения процессом границ (полагая КхиКг не зависящими от времени, т.е. рассматривая процесс на отдельных квазистационарных участках) можно определить из уравнения:

СИ)

При решении уравнения (11) учитываем граничные условия: если у0 - 0 или у0 = Ь, то Т, = 0.

В силу инерционности изменения состава воздушной среды рабочей зоны обобщенное стохастическое уравнение для у можно представить в виде:

y+ay=an(t), (12)

где а=1/Т , Тр1 - газодинамическая постоянная времени рабочей зоны, неэквивалентный» белый шум.

Для уравнения (12) имеем К1{у,1)=Кх(у) = -ау,К1(у,{) = К2=а1Ы012, <р(г) = /2а2у, где ¿г* = Лг0«/4 - дисперсия процесса у в стационарном режиме. Тогда для Г, , при пороге 6=г0, получим

Тг = ^ J (р, у 0 /оу)°\У° [ф (*)- Ф (0)]е Ч2* а г, +

I

||ФЫ-Ф(ф ¿^(о' (13)

У(/аУ

г

где 1 | ех//-^ /2^/ " интеграл вероятности;

—00 V /

г2

При начальном условии = О вместо (13) имеем

Тг ■ (14)

а 0

Если установлен порог Ь=сг},то Тг «1,25 , а если ъ= 2ст,,то Тг«5,1ЪТрз.

Например, при обкатке дизеля А-41 (Стт=19кг/ч, а=1,3, Т=300К, Ро=0,Ю1 МП а), полагая, что объем рабочей зоны У= 1м3 и что в нее просачивается КВВ, составляющая 1% от общего потока ОГ, получим Трз=У/()я>1,12с и время достижения первого порога ПДК сг) ~ 50мг/м3 составит Т.=1,4с, а второго порога ПДК

- Т:=6,4с.

Обоснованы требования к САЭМ: структура САЭМ должна представлять собой распределённую систему, состоящую из локальных систем оперативного контроля ПС и управления этим состоянием (ЛСОКУ), расположенных в каждом производственном подразделении. ЛСОКУ могут работать самостоятельно, а также управляться с центрального поста мониторинга (диспетчерской). Компьютер автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера-технолога связан локальной сетью с периферийными ЛСОКУ. В состав каждой ЛСОКУ входит комплект датчиков Д/ - Д, для измерения состава и параметров воздушно-газовой среды; контроллер, построенный на микропроцессорной технике; набор исполнительных устройств (ИУ), обеспечивающих преобразование ПС, сигнализацию и отключение источников аварийного уровня ВВ.

Обоснованы параметры измерительных каналов (ИК) САЭМ. Каждый ИК контроллера САЭМ содержит, как правило, первичный измерительный преобразователь (ПИП) - датчик, согласующий усилитель, преобразовательный (функциональный) элемент (при необходимости). Выходной сигнал ИК У(1) - измерительная информация, отражающая преобразование П(1). Сигналы У/с), 1=1-к (к -число ИК в САЭМ) через мультиплексор поочередно (или выборочно с приори-

тетом) поступают на микропроцессорный измерительный блок (МИБ), в котором происходит измерение уровня П,(0, и в случае П/^П,^) (П1аи„(1) - допустимый уровень Л,(0) подается сигнал на блок сигнализации или в систему автоматического управления, устраняющую отклонение М1=П,(1)-П1до„(1).

Инерционность ИК описывается в динамическом (переходном) режиме дифференциальными уравнениями вида (при измерении физико-химических свойств и концентрации соответственно)

+ У(1) = КМ (! -х1и),

Т^ГЮ/Л + У(0 ахо0-ти^ ] (15)

где Тик - постоянная времени ИК; тш- время "чистого"запаздывания в ИК, равное сумме времени запаздывания в ПИП и в остальной части ИК; х„ = Са ■ 100- объемная концентрация АВ, %.

Зная допустимые уровни П^ или , а также требуемую инерционность в обнаружении этих уровней, можно выбрать ПИП и предъявить требования к ИК контроллера САЭМ. Например, кондуктометрическте ПИП могут использоваться для анализа в помещении СРП газов С02,802, Н28, НС1, №13.

Исследованы закономерности воздействия вредных выбросов на САЭМ. Устройство сопряжения, которое является первичным в измерительной цепи САЭМ, можно представить в виде инерционного (накапливающего) апериодического звена первого порядка. Воздействие на него газообразных ВВ допустимо полагать в виде «эквивалентного» белого шума пв), т.е. «эквивалентной» КВВ:

Т^ш /Л)+ ш =п(1), (16)

где гя - КВВ на выходе устройства сопряжения.

Общее решение (16), т.е. динамика воздействия ВВ на САЭМ (при начальном условии ггт(/0)= яг0), среднее значение т^) (при /0=0) и дисперсия

агв (/) имеют вид:

ш^)- е

('-'о)

т

1 4 'О

(17)

тш{[)=м{ет(/)} = аг0е-"г«; (18)

стЦ()=м{гп{!)-тМг}-("0^Т>) (19) где ТА - постоянная времени САЭМ.

Графики изменения тт и аш от времени и закона распределения

©(стД) показаны на рис. 1, а характер процессов на входе и выходе САЭМ, как

апериодического звена (на отдельных квазистационарных участках) - на рис. 2. Для процесса /) коэффициенты сноса и диффузии равны:

К^т^К^^-ш/Т,; 1 (20)

К2{а,г)=Кг={1/Тл)г {М0/2)\

ол(й,г)=5(ш-о„)

"ад

¡X* о» : -а " -

а б в

Рис 1: а,6- зависимости т^ и <7т от времени; в - изменение закона распределения вероятностей и>(й7,/) 1Усг(йт,/) •- распределение в установившемся режиме; 5(ги) — дельта-функция пМ

Рис. 2 Изменение процессов на входе и выходе САЭМ Следовательно, для марковского процесса гu(t) уравнение Фоккера-План-ка-Колмогорова (ФГЖ) примет вид:

3^(07,/) 1 д г / м —1---гя-н/ШЛ +

Ы ТЛ дгп1 у и

дт1

(21)

Решением этого уравнения является нормальная плотность вероятности:

[р-". (ОТ

IV]

{".'И

-ехр

(22)

Отрезок реализации выходного процесса устройства сопряжения САЭМ при пт0 =тш приведен на рис. 3. Если в момент// ш = а^,), то процесс щ (/,) можно

рассматривать как суперпозицию двух процессов: детерминированного и случайного. Первая составляющая, характеризующая уменьшение накопления ВВ, равна

) = йт(/, ) ехр [(/2 - /у) / Тл ], вторая составляющая определяется накоплением случайного процесса КВВ и равна ш )■

Cû(t)

ыО,)г*1*-'* Рис. 3 Отрезок реализации вы-'-' ходного процесса устройства

сопряжения САЭМ: а=1/ТА

Аналогично поведение ш(/) в любые другие моменты времени, т.е. при любом г процесс ш{() представляет собой суперпозицию детерминированного процесса, характер которого определяется структурой САЭМ (его постоянной времени) и случайного процесса. Детерминированный процесс в САЭМ (апериодическом звене) всегда направлен на то, чтобы свести процесс ят(/) к гпв (г) и в

общем случае равен т (?) = ) ехр [-(г - ) /ТЛ ]. Скорость детерминированного процесса = т.е. эти выражения определяются свободной со-

ставляющей уравнения динамики САЭМ при п(1)=0 Коэффициент сноса (ст. г) характеризует среднюю скорость детерминированного процесса сг(/), т.е. его

ускорение £•(?), а коэффициент диффузии К2(т,{) - меру разброса ускорения

г(;) относительно его среднего значения.

Устройство сопряжения с источником ВВ САЭМ содержит набор электрохимических кондуктометрических датчиков с последовательно включенными накопительным и пороговым устройствами (НУ и ПУ). При достижении заданного уровня ПДК ВВ срабатывает пороговое устройство (ПУ), включенное на выходе НУ. Определена вероятность достижения заданной границы Е (порога) случайным процессом у(0 за время т.е. срабатывания ПУ: у(0=Е. Это условие характеризует переход состояния рабочей зоны по КВВ в следующий класс. Так как при этом рабочая зона меняет свою структуру, то можно задаваемую границу считать поглощающей, т.е. считать, что процесс обрывается в момент достижения границы. В этом случае процесс описывается ненормированной плотностью распределения вероятностей <}(Уо>У>1)' которая подчиняются начальным условиям ч{у0,у,г0) = 5{у-у0),

где ё(у) - дельта-функция, и граничным условиям д(уд,Е,1) = 0 • Полагая наличие поглощающей границы (порога), приходим к уравнению ФПК:

dq 1 ô , 7

— =--1УЧ]+

Ôt ги>,3/

т

V "У J

2Щ<Г_3_ (23)

4 ду2

Фундаментальным решением уравнения (24) при £=0 является нормальная плотность вероятности (рис 4) с параметрами mt (/) и (?) :

co(y0,y.t)=l- [ 0-"у]г1- (24)

»O-v)

8(V-v0)

Рис. 4. Изменение плотности распределения вероятности со (у) пРи

изменении КВВ y(t) для различных моментов времени

Например, при /=7^ у0 =О и

Е/(ТУ~0,3 порог Е будет достигнут с вероятностью p(o,t)xO,9-

Полученные зависимости для ° вероятностных характеристик из-

менения состояния рабочей зоны производственных помещений при подстановке в них конкретных значений параметров различных оптических и электрохимических кондуктометрических датчиков (используемых в САЭМ для анализа загрязнений: задымленности, концентрации СО, СН, N0) и накопительного устройства могут использоваться для выработки команд управления исполнительными устройствами, обеспечивающими экологическую безопасность рабочей зоны.

Получены зависимости для определения погрешности измерения КВВ:

ohffa2 bfc2kJ/(l+dTl)]+C'kp2/2Tp+oieI К2}- (25)

где ег/ - дисперсия погрешности; ¿г/ - дисперсия измеряемой величины X(t), kp km а, Тр- постоянные в ИК; С2 - const энергетический спектр неизмеряемых газов при накоплении; к,, - коэффициент идеального усилителя.

Оптимальное значение реального коэффициента усиления, обеспечивающее минимум дисперсии погрешности на выходе УСО при фиксированном Тр:

kpom=[k,la//(l+aTS/[o-Ml+aTJ+CJ/2TJ. (26)

При измерении скорости распространения газообразных ВВ получено выражение для дисперсии погрешности на выходе дифференциатора: стдс2=а2{1+2аТа „2-(2Та1/Тао)- (л/2)12 [(ГОр-2Тп0) /2Тар] [1-Ф/1/2 аТао)]ехр(1/4аТа 0% где Ф/(х) - интеграл вероятностей.

Приведенные зависимости позволяют оценить реальную методическую погрешность измерителя КВВ в рабочей зоне, а также обоснованно задать требования к параметрам САЭМ производственных помещений.

В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований, при проведении которой необходимо было решить следующие задачи: а) найти закономерности, связывающие структурные параметры с косвенно определяемыми диагностическими показателями, используя литературные данные и проводя активные многофакторные эксперименты; б) собрать экспериментальные данные для построения модели-эталона, соответствующей нормальному состоянию ПС, а также моделей-образцов для каждого класса состояния ПС; в) определить зоны допустимых значений косвенных показателей, соответствующих зоне допустимых значений КВВ; г) проверить работоспособность САЭМ.

В качестве физических объектов были выбраны помещения ремонта и обкатки ДВС, которые являются одними из наиболее экологически загрязнёнными. Для выявления закономерностей, связывающих структурные параметры

КВВ с диагностическими показателями, установлены уровни значимых факторов- степень загрузки ДВС. частота вращения ДВС. радиус рабочей зоны Исследования проводились на экспериментальной установке, собранной на базе измерительной экспертной системы двигателя СибФГИ, состоящей из обка-точно-тормозного стенда комплекта измерительных преобразова-

телей и компьютерных устройств обработки информации (в том числе микропроцессорного модуля сбора данных РС1-17ЮНО фирмы АВУАМТЕС'Н и измерительно-записывающего устройства)

Коми«н>раиия СО N

Рис. 5. Комплексное влияние факторов (частоты вращения коленчатого вала и нагрузки) на содержание угарного газа в рабочей зоне обслуживания ДВС

Котммтрация СО * ;

роя омредеим аахтамм г род

Рис. 6. Комплексное влияние факторов (нагрузки и угла опережения зажигания) на содержание угарного газа в рабочей зоне обслуживания ДВС

При проведении активного эксперимента применен симметричный план Ьок-са В.. и был выбран средний интервал варьирования факторов ). В качестве откликов использована массовая КВВ в рабочей зоне ПС. 4а модели-эталоны принимались ПДк" в рабочей зоне ПС на СО. СН, дым, пыль для двигателя в нормальном и неисправном техническом состоянии.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Подтверждены зависимости, описывающие процессы прорыва вредных веществ отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в рабочую зону. Анализ полученных уравнений регрессии при испытании дизеля Д-144 (срок эксплуатации 8 лет) и двигателя ЗМЗ-406 показал, что, например, наибольшие выбросы СО в рабочую зону происходят при полной нагрузке, а N0 - при позднем угле опережения подачи топлива и работе на холостом ходу. Полученная регрессионная модель, например для СО, имеет вид:

у = 0,04875 - 0,054х, - 0,066х2 + 0,023х3 - 0,04х,х2 - 0,0375х,х3 - 0,03х2х3 + 0,050272х,2 + 0,020258х22 + 0,095295х32;

Аналогичные зависимости получены для СН, 02, времени реакции САЭМ. Установлено, что существуют оптимальные значения факторов, соответствующие минимуму КВВ (например, рис. 5-8).

0 5 10 13 20 2в 30 35 40 46 60

Угол »парвкамия мвютния, град

Рис.7. Зависимость содержания СО в рабочей зоне от угла опережения

Рис.8. Комплексное влияние факторов на содержание СО в рабочей зоне

Аналогично получены оптимальные значения для других факторов (нагрузки и частоты вращения) по компонентам СО, СН и 02 и времени срабатывания САЭМ.

В пятой главе обоснован алгоритм измерения КВВ и разработана структура устройства для измерения ВВ. Сформулированы исходные требования для проектирования оперативной САЭМ, устанавливаемой в помещениях, где проводятся испытания ДВС. Приведен расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемой САЭМ. Эффект получен за счет более низкой себестоимости САЭМ в сравнении с серийно выпускаемыми газоанализаторами и меньшей трудоемкости измерений КВВ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Одним из главнейших источников загрязнения воздушно-газовой среды рабочей зоны являются ДВС, испытания которых проводятся при диагностировании, техобслуживании и ремонте. Вредные вещества, содержащиеся в ОГ ДВС, вместе с воздухом попадают в органы дыхания и на кожный покров обслуживающего персонала, что приводит к росту заболеваемости механизаторов, вклад этого фактора в суммарную заболеваемость составляет 10 - 37%.

В настоящее время на РММ, ремонтных предприятиях и СТО проводится только эпизодический контроль состояния производственной среды, отсутствует постоянный оперативный мониторинг концентрации вредных веществ.

Поэтому разработка систем автоматического эколого-аналитического мониторинга (САЭМ) является актуальной задачей. Кроме того, применение САЭМ позволит выявить выбросы вредных веществ через уплотнения ДВС и газо-воз-душные магистрали.

Существующие методики измерения концентрации вредных веществ (КВВ) в воздухе рабочей зоны базируются, в основном, на закономерностях накопления этих выбросов в стационарном режиме без учета динамики их распространения.

2. Анализ закономерностей образования вредных веществ в отработавших газах ДВС показал, что КВВ существенно зависит от технического состояния ДВС и режимов его работы, при этом концентрация различных вредных веществ по разному зависит от параметров ДВС (мощности, угла опережения подачи топлива, скорости и нагрузочных режимов). Для оценки концентрации отработавших газов, прорвавшихся в рабочую зону, необходимо применять технико-гигиенические показатели: концентрацию токсичного вещества, нормообъем, дымность, воздушные потоки в помещении и др.

Установлено, что в стационарном режиме работы ДВС КВВ существенно зависит от времени испытаний (производительности), температуры и воздушного режима в помещении, скорости и нагрузочных режимов работы ДВС.

3. Показано, что для оценки динамики распространения вредных веществ в рабочую зону можно использовать обобщенные уравнения динамики. Распространение вредных веществ можно рассматривать как непрерывный марковский процесс. Для определения времени достижения заданной концентрации ВВ (в том числе ПДК) целесообразно применить уравнение Фоккера-Планка-Колма-горова, которое позволяет также классифицировать состояние рабочей зоны.

Кроме того, это позволяет выявить степень герметичности газовоздушных магистралей и соединений ДВС.

4. Обоснована структура системы автоматического зколого-аналитического мониторинга ремонтно-механических мастерских, ремонтных предприятий и СТО. Она должна быть распределенной, состоящей из локальных систем оперативного контроля и управления (ЛСОКУ). Каждая из ЛСОКУ должна содержать датчики реагирующие на определенный компонент вредных веществ и контроллер. ЛСОКУ могут работать самостоятельно (как САЭМ) или управляться диспетчером с центрального поста единой САЭМСУ.

5. Получены зависимости вероятностных показателей процесса временного достижения порога, вызванные случайным характером распространения вредных веществ в рабочей зоне, инерционностью датчиков и устройств обработки при накоплении вредных веществ.

Установлено, что дисперсия погрешности устройств сопряжения с объектом прямо пропорциональна дисперсии измеряемой величины и погрешности от неконтролируемых данным каналом компонентов воздушной среды. Полученные зависимости позволили оценить методическую погрешность канала САЭМ. Полученные зависимости позволяют более точно описать процесс взаимодействия САЭМ с газообразными вредными веществами и, следовательно, определить местоположение и тип датчиков, а также разработать наиболее эффективный алгоритм измерения концентрации вредных веществ.

6. Экспериментально установлено, что наиболее значимо влияющие факторы на образование и распространение концентрации вредных веществ в рабочую зону при испытании ДВС являются: нагрузка, угол опережения зажигания, частота вращения коленчатого вала. Установлено, что существуют оптимальные значения: зависимости содержания дымности СО, СН, N0, 02 в рабочей зоне обслуживания ДВС от частоты вращения коленчатого вала, от угла опережения зажигания; времени реакции САЭМ на ПДК от частоты вращения коленчатого вала ДВС и от угла опережения зажигания; и линейные зависимости: времени реакции САЭМ на ПДК и содержания СО от нагрузки в рабочей зоне обслуживания ДВС.

7. Экспериментально подтверждены теоретические предпосылки о необходимости учета динамики распространения концентрации вредных веществ. Показано, что целесообразно определять скорости накопления вредных веществ. При этом по скорости накопления концентрации вредных веществ, прорыву отработавших газов можно осуществлять классификацию состояния производственной среды в долях от ПДК: норма, 1 степень загрязнения, 2 степень загрязнения.

8. Установлено, что для оперативной оценки концентрации СО и других вредных веществ, и подтверждения работоспособности САЭМ целесообразно использовать электрохимические датчики. Установлено, что зависимость показания САЭМ от концентрации СО линейная, существует слабая зависимость показаний САЭМ от температуры (при нормальных условиях), длительность переходного процесса измерения с помощью САЭМ составляет не более 1 с, интервал повторного измерения не превышает 1 минуты.

9. Экономический эффект получен за счет снижения себестоимости изготовления САЭМ и снижения трудоемкости испытания ДВС и составляет 11464,28 руб. на один условный трактор в год.

Срок окупаемости равен 0,3 года. Экспериментальный образец САЭМ прошел производственную проверку. САЭМ внедрена в хозяйствах: Автобаза «Почта России» и учебном парке НГАУ НСО (поселок Тулинский).

Система эколого-аналитического мониторинга необходима в каждом автотранспортном предприятии, от нее зависит здоровье трудовых коллективов, производительность труда и культура производства в целом.

10. Результаты исследований целесообразно использовать в НИИ и КБ, а также в учебном процессе аграрных вузов. Внедрение САЭМ на всех предприятиях техсервиса позволит существенно снизить заболеваемость обслуживающего персонала, улучшить социально-гигиенические условия их работы, а также выявить места выбросов ВВ.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Требования к параметрам измерительных каналов системы автоматического экологического мониторинга специализированных ремонтных предприятий и мастерских //Автоматизация производства продукции растениеводства. Труды ВИМ. Т.149. -М.: ВИМ. -2003. С. 120-122.

2. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Закономерности распространения экологически вредных примесей в специализированных ремонтных предприятиях и мастерских // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. 4.2. Материалы междунар. науч.- практ. конф. "Агроинфо-2003". РАСХН. Сиб. отд-ние. -Новосибирск, 2003. - С.276-281.

3. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Требования к системе автоматического экологического мониторинга рабочей зоны ремонтных предприятий с учетом динамики распространения вредных выбросов // Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб.докл. междунар. науч-техн. конф. 4.1. М.: ВИМ, 2004. С.325-333.

4. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Эколого-аналитический мониторинг источников загрязнения ремонтно-механических мастерских, ремонтных предприятий и СТО // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства. Материалы междунар. науч.-пракг. конф. НГАУ, Инж. ин-т. - Новосибирск, 2003. - С. 192-195.

5. Дмитриев В.В. Классификация методов и технических средств мониторинга производственной среды специализированных ремонтных предприятий и мастерских // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. 4.2. Материалы междунар. науч.- практ. конф. "Агроинфо-2003". РАСХН. Сиб. отд-ние. - Новосибирск, 2003. - С.273-276.

6. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Закономерности воздействия вредных выбросов на систему автоматического экологического мониторинга рабочей зоны // Агроинженерная наука - итоги и перспективы. 4.2. Материалы междунар. науч,- практ. конф. НГАУ, Инж. ин-т. - Новосибирск, 2004. - С. 402-405.

7. Дмитриев В.В. Методика экспериментальных исследований по эколого-аналитическому мониторингу производственной среды ремонтных предприятий

// Агроинженерная наука - итоги и перспективы. 4.2. Материалы междунар. науч.- практ. конф. НГАУ, Инж. ин-т. - Новосибирск, 2004. - С. 269-273.

8. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Погрешность измерения системы автоматического эколого-аналитического мониторинга производственных помещений техсервиса // Материалы научно-технической конференции Ч.4.«Достижения науки - агропромышленному производству» Челябинск 2005г. - С 28 - 31.

9. Добролюбов И.П., Дмитриев В.В. Динамика накопления вредных выбросов системой автоматического экологического мониторинга рабочей зоны предприятий техсервиса тракторов и автомобилей // Экология и сельскохозяйственная техника. Т.2. Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. Материалы 4-й науч.-практ. конф. С.-П. 2005. - С. 382-387.

10. Добролюбов И.П., Савченко О.Ф., Дмитриев В.В. Подсистема автоматического экологического мониторинга рабочей зоны измерительной экспертной системы двигателя // Двипггелестроение. С.-П. 2005. №2 - С. 47-50.

¿.ÔOCA-M2 - 4 5 4 1

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 9 1.1. Анализ состояния рабочей зоны производственных помещений ремонтно-механических мастерских (РММ) сельскохозяйственных предприятий (СП), а также специализированных ремонтных предприятий (СРП) и СТО

1.1.1. Сущность эколого-аналитического мониторинга производственной среды

1.1.2. Структура и закономерности выделения вредных веществ в отработавших газах и их влияние на человека

1.1.3. Методы и средства эколого-аналитического мониторинга состояния производственной среды 22 Выводы. Рабочая гипотеза исследования. Цель исследования. Задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ (НА ПРИМЕРЕ ИСПЫТАНИЯ ДВС)

2.1. Закономерности образования выбросов вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания

2.2. Закономерности распространения выбросов вредных веществ в рабочей зоне в стационарном режиме работы

2.3. Динамика распространения ВВ от источника в рабочей

2.4.0боснование требований к системе автоматического эколого-аналитического мониторинга рабочей зоны производственных помещений (на примере испытания ДВС)

2.4.1. Санитарные и экологические требования к воздушной среде рабочей зоны производственных помещений РММ,

СРП, СТО

2.4.2. Обоснование структуры системы автоматического эколого-аналитического мониторинга производственной среды РММ, СРП, СТО

2.4.3. Обоснование параметров измерительных каналов САЭМ

2.4.4. Закономерности воздействия вредных выбросов на систему автоматического экологического мониторинга рабочей зоны

2.4.5.Погрешность измерения КВВ в системе эколого-аналитического мониторинга производственных помещений техсервиса 89 Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований

3.2. Методика экспериментальных исследований

3.3. Испытательные стенды и оборудование

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Экспериментальная зависимость прорыва вредных веществ отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в рабочую зону

4.2. Анализ экспериментальных зависимостей 115 Выводы

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Разработка исходных требований к системе автоматизированного мониторинга состояния -производственной среды и управления этим состоянием (САМСУ) для РММ, СРП, СТО агропромышленного комплекса

5.1.1. Обоснование алгоритма измерения КВВ

5.2. Описание экспериментального образца

5.3. Экономическая эффективность внедрения САЭМ 140 Выводы

Актуальность темы. В производственных помещениях в воздухе рабочей зоны при выполнении сварочных, наплавочных, газорезательных, моечных, сборочных, окрасочных работах, при обкатке и регулировке двигателей внутреннего сгорания и других работах в специализированных ремонтных предприятиях (СРП) и ремонтно-механических мастерских (РММ) выделяется большое количество вредных веществ (ВВ), относящихся к I и II классам опасности. Одним из главнейших источников загрязнения воздушно -газовой среды рабочей зоны являются ДВС, испытания которых проводятся при диагностировании, техобслуживании и ремонте. В ОГ ДВС содержатся продукты неполного сгорания топлива, в том числе токсичные.

ВВ вместе с воздухом попадают в органы дыхания и на кожный покров обслуживающего персонала, что приводит к росту заболеваемости механизаторов, составляющей 10-^37% от суммарной заболеваемости.

Существующие методики измерения концентрации вредных выбросов (КВВ) в воздухе рабочей зоны базируются, в основном, на закономерностях накопления этих выбросов в стационарном режиме. Для более точного и достоверного экологического автоматического мониторинга рабочей зоны (выбора мест установки датчиков, быстродействия газоанализаторов и др.) необходимо учитывать динамику распространения ВВ.

В настоящее время на РММ, СРП и СТО проводится только эпизодический контроль состояния производственной среды, отсутствует постоянный оперативный мониторинг КВВ ремонтных предприятий. Поэтому разработка систем оперативного автоматического компьютерного эко-лого-аналитического мониторинга САЭМ для служб техсервиса и ремонта сельскохозяйственного назначения является актуальной задачей. Кроме того, применение САЭМ позволит выявить выбросы ВВ через уплотнения ДВС и воздушные магистрали.

Цель исследования. Разработать методику и технические средства автоматического эколого-аналитического мониторинга состояния рабочей зоны производственной среды (на примере испытания ДВС).

Объект исследования — процесс эколого-аналитического мониторинга состояния производственной среды РММ, СРП и СТО.

Предмет исследования - закономерности, связывающие диагностические параметры со структурными параметрами распространения ВВ и их измерения в рабочих помещениях РММ, СРП и СТО.

Рабочая гипотеза:

• Улучшения санитарно-гигиенических показателей производственной среды помещений РММ, СРП и СТО можно достичь за счет оперативного мониторинга выбросов ВВ (на примере испытаний ДВС) с помощью САЭМ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

• уточнены зависимости, связывающие выбросы ВВ с техническим состоянием ДВС;

• получены закономерности, отражающие влияние различных факторов, при эколого-аналитическом мониторинге производственной среды;

• получены закономерности распространения ВВ от источников в рабочую зону;

• обоснованы исходные требования к САЭМ (на примере испытаний ДВС).

Практическая значимость. Разработанный способ оперативного эколого-аналитического мониторинга производственной среды и САЭМ позволяют:

• обеспечить своевременное предупреждение и защиту рабочего помещения от появления недопустимых КВВ;

• снизить трудоемкость измерения КВВ, улучшить санитарно гигиенические условия труда обслуживающего персонала РММ, СРП и СТО. Результаты исследования использованы в СибФТИ СО РАСХН.

САЭМ как подсистема измерительной экспертной системы двигателя внедрена на предприятиях: Автобаза «Почта России» и учебный парк НГАУ (поселок Тулинский).

На кафедре электрификации НГАУ разработанная методика эколого-аналитического мониторинга использована в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на международных научно-практических конференциях: «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» (Новосибирск, 2003 г.); «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов» (Новосибирск, 2003 г.); «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (Москва, 2004); «Агроинженерная наука - итоги и перспективы» (Новосибирск, 2004г.); «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (Санкт-Петербург, 2005г.); «Экология и сельскохозяйственная техника» (Санкт-Петербург, 2005г.); «Достижения науки -агропромышленному производству» (Челябинск, 2005г.).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 10 печатных работах в том числе 1 положительное решение на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Одним из главнейших источников загрязнения воздушно - газовой среды рабочей зоны являются ДВС, испытания которых проводятся при диагностировании, техобслуживании и ремонте. Вредные вещества, содержащиеся в ОГ ДВС, вместе с воздухом попадают в органы дыхания и на кожный покров обслуживающего персонала, что приводит к росту заболеваемости механизаторов, вклад этого фактора в суммарную заболеваемость составляет 10 37%.

В настоящее время на РММ, ремонтных предприятиях и СТО проводится только эпизодический контроль состояния производственной среды, отсутствует постоянный оперативный мониторинг концентрации вредных веществ ремонтных предприятий.

Поэтому разработка систем автоматического эколого-аналитического мониторинга (САЭМ), является актуальной задачей. Кроме того, применение САЭМ позволит выявить выбросы вредных веществ через уплотнения ДВС и газо-воздушные магистрали.

Существующие методики измерения концентрации вредных веществ (КВВ) в воздухе рабочей зоны базируются, в основном, на закономерностях накопления этих выбросов в стационарном режиме без учета динамики их распространения.

2. Анализ закономерностей образования вредных веществ в отработавших газах ДВС показал, что КВВ существенно зависит от технического состояния ДВС и режимов его работы, при этом концентрация различных вредных веществ по разному зависит от параметров ДВС (мощности, угла опережения подачи топлива, скорости и нагрузочных режимов). Для оценки концентрации отработавших газов, прорвавшихся в рабочую зону, необходимо применять технико — гигиенические показатели: концентрацию токсичного вещества, нормообъем, дымность, воздушные потоки в помещении и др.

Установлено, что в стационарном режиме работы ДВС КВВ существенно зависит от времени испытаний (производительности), температуры и воздушного режима в помещении, скорости и нагрузочных режимов работы ДВС.

3. Показано, что для оценки динамики распространения вредных веществ в рабочую зону можно использовать обобщенные уравнения динамики. Распространение вредных веществ можно рассматривать как непрерывный марковский процесс. Для определения времени достижения заданной концентрации ВВ (в том числе ПДК) целесообразно применить уравнение Фоккера-Планка-Колмагорова, которое позволяет также классифицировать состояние рабочей зоны. Кроме того, это позволяет выявить степень герметичности газовоздушных магистралей и соединений ДВС.

4.0боснована структура системы автоматического эколого-аналитического мониторинга ремонтно-механических мастерских, ремонтных предприятий и СТО. Она должна быть распределенной, состоящей из локальных систем оперативного контроля и управления (ЛСОКУ). Каждая из ЛСОКУ должна содержать датчики реагирующие на определенный компонент вредных веществ и контроллер. ЛСОКУ могут работать самостоятельно (как САЭМ) или управляться диспетчером с центрального поста единой САЭМСУ.

5. Получены зависимости вероятностных показателей процесса временного достижения порога, вызванные случайным характером распространения вредных веществ в рабочей зоне, инерционностью датчиков и устройств обработки при накоплении вредных веществ.

Установлено, что дисперсия погрешности устройств сопряжения с объектом прямо пропорциональна дисперсии измеряемой величины и погрешности от неконтролируемых данным каналом компонентов воздушной среды. Полученные зависимости позволили оценить методическую погрешность канала САЭМ. Полученные зависимости позволяют более точно описать процесс взаимодействия САЭМ с газообразными вредными веществами и, следовательно, определить местоположение и тип датчиков, а также разработать наиболее эффективный алгоритм измерения концентрации вредных веществ.

6. Экспериментально установлено, что наиболее значимо влияющие факторы на образование и распространение концентрации вредных веществ в рабочую зону при испытании ДВС являются: нагрузка, угол опережения зажигания, частота вращения коленчатого вала. Установлено, что существуют оптимальные значения: зависимости содержания дымности СО, СН, NO, О2 в рабочей зоне обслуживания ДВС от частоты вращения коленчатого вала, от угла опережения зажигания; времени реакции САЭМ на ПДК от частоты вращения коленчатого вала ДВС и от угла опережения зажигания; и линейные зависимости: времени реакции САЭМ на ПДК и содержания СО от нагрузки в рабочей зоне обслуживания ДВС.

7. Экспериментально подтверждены теоретические предпосылки о необходимости учета динамики распространения концентрации вредных веществ. Показано, что целесообразно определять скорости накопления вредных веществ. При этом по скорости накопления концентрации вредных веществ, прорыву отработавших газов можно осуществлять классификацию состояния производственной среды в долях от ПДК: норма, 1 степень загрязнения, 2 степень загрязнения.

8. Установлено, что для оперативной оценки концентрации СО и других вредных веществ, и подтверждения работоспособности САЭМ целесообразно использовать электрохимические датчики. Установлено, что зависимость показания САЭМ от концентрации СО линейная, существует слабая зависимость показаний САЭМ от температуры (при нормальных условиях), длительность переходного процесса измерения с помощью САЭМ составляет не более 1с, интервал повторного измерения не превышает 1 минуты.

9. Экономический эффект получен за счет снижения себестоимости изготовления САЭМ и снижения трудоемкости испытания ДВС и составляет 11464,28 руб. на один условный трактор в год.

Срок окупаемости равен 0,3 года. Экспериментальный образец САЭМ прошел производственную проверку. САЭМ внедрена в хозяйствах: Автобаза «Почта России» и учебном парке НГАУ НСО (поселок Тулинский).

Система эколого-аналитического мониторинга необходима в каждом автотранспортном предприятии, от нее зависит здоровье трудовых коллективов, производительность труда и культура производства в целом.

10. Результаты исследований целесообразно использовать в НИИ и КБ, а также в учебном процессе аграрных вузов. Внедрение САЭМ на всех предприятиях техсервиса позволит существенно снизить заболеваемость обслуживающего персонала, улучшить социально-гигиенические условия их работы, а также выявить места выбросов ВВ.

1. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Часть 1.-М.: МНЭПУ, 1998.-208 с.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. М.: Юнити, 1998. - 230 с.

3. Анисимов К.Г., Волков В.И. Модель вязкого течения в капиллярах / Повышение экологической безопасности автотракторной техники / Под ред. А.Л. Новоселова. Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1998. - С. 132-134.

4. Анисимов К.Г., Волков В.И. Моделирование фильтрации несжимаемой жидкости / / Повышение экологической безопасности автотракторной техники / Под ред. А.Л. Новоселова. Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1998. - С. 135-137.

5. Арустамов Э.А., Волощенко А.Е., Гуськов Г.В. Безопасность жизнедеятельности: Учебник./Москва: Издательский Дом «Дашков и Ко», 2001.-677с.

6. Аксенов И .Я., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. -М.: Транспорт, 1986.- 176 с.Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Часть 1. М.: МНЭПУ, 1998. - 208с.

7. Бабусенко С.М. Проектирование ремонтно-обслуживающих предприятий: Учебник./Москва: ВО «Агропромиздат» 1990.— 351с.

8. Баранов Н.А., Королев Е.В. Эксперементальное исследование механизма образования дизельной сажи // Труды ЦНИДИ. Л.: ЦНИДИ, 1983, - С.143-145.

9. Баранов Н.А., Смайлис В.И. Исследование высокотемпературной сублимации и дисперсионного состава дизельной сажи // Труды ЦНИДИ. Л.: ЦНИДИ, 1980. - С. 81-89.

10. И.Бельских В.И. Диагностирование и обслуживание сельскохозяйственной техники.-М.: Колос, 1980. С. 136 (дымомер К-408-НИИАТ).

11. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности: Учебник./Москва: «Высшая школа» 1999.-448с.

12. Беренштейн Е.В., Гладков О.А. Уменьшение вредных выбросов дизелей при стендовых испытаниях: Обзор.-М.: ЦНИИТЭИтяжмаш. 1989.-28 с.

13. Беспамятнов Г.П., Коротков Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. Л.: Химия, 1995.-528 с.

14. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде.-Л.: Химия. ЛО. 1985.-528 с.

15. Богдановский Г.А. Химическая экология.-М.: Изд-во МГУ, 1994.

16. Болбас М.М. и др. Основы промышленной экологии: автомобильный транспорт. Учебное пособие. Минск: Высшая школа, 1993.— 235 с.

17. Буке И.И., Фомин С.А. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС). М.: МНЕПУ, 1997.-96 с.

18. Вагнер В.А., Новоселов А.Л., Лоскутов А.С. Снижение дымности / Алт. Краевое правление союза НКО СССР. Барнаул: Б.И., 1991.-140 с.

19. Воздействие выбросов автотранспорта на природнаю среду. Рига: Зинатне, 1989. - 140 с.

20. Волков В.И. Режим турбулентной фильтрации // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: Сб. статей / Под ред. А.Л. Новоселова. Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ

21. A.JI. Новоселова. Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999. - С. 72-77.

22. Воздействия на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Метрологические аспекты. В 2-хт. Под ред. Исаева JI.K. Т.1.-М.: ПАИМС, 1997.-512 с.

23. Воронский В.А. Прикладная экология: Учебное пособие. Ростов на Дону: Изд-во «Феникс», 1996.-512 с.

24. Вредные вещества в промышленности / Под ред. Лазарева Н.В. и

25. Левиной Э.И. 7-е изд. Л.: Химия. Т. 1. 590 е.; Т. 3. 608 с.

26. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования:

27. ГОСТ 12.1.001-82. М.: Изд. стандартов. 1983.- 44 с.

28. Все необходимое для автоматизации. М.: Передовые технологии автоматизации, 2001. - 190с.

29. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов.-М.: Изд-во стандартов, 1992. —432 с.

30. ГОСТ Р 52033-2003. Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния.

31. ГОСТ 17.2.2.02. — 98. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов дизелей, тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин.

32. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутренне. го сгорания: Учеб. Пособие. М.: Изд-во РУДН, 1998.-214 с.

33. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы, туманы: Пер. с англ. / Под ред. Н.А. Фукса. - Изд. 2-е, стереотип. - Л.: Химия, ЛО, 1972. - 427 с.

34. Демочка О.И., Ложкин В.Н. Пути снижения токсичности отработавших газов автотранспортных двигателей: Обзор ЦНИИТЭИ-тракторсельхозмаш. Сер. 1, вып. 13. М., 1984. - 54 с.

35. Детри И.П. Атмосфера должна быть чистой.-М.: Прогресс, 1973.-379 с.

36. Дугин Г.С. Вопросы снижения токсичности отработавших газов автотранспорта // ВИНИТИ. 1990. - № 15.

37. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

38. Законодательные и потребительские требования к автомобилям / В.Н. Кравец, Е.В. Горынин. Н. Новгород: Нижегород. гос. тех. ун-т, 2000.-400 с.

39. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник в 2 частях: Пер. с англ. / Ред. С. Колверт, Г.М. Инглунд. М.: Металлургия, 1988. - 260 с.

40. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

41. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. Изд. 2-е, переработанное и дополненное - М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

42. Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. Луганск: Изд-во Восточно-украинского гос. ун-та, 1998. - 160 с.

43. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. — М.: Гидрометеоиздат, 1984.

44. Корчагин В.А., Филоненко Ю.Я. Экологические аспекты автомобильного транспорта. Учебное пособие.-М.: Изд-во МНЭПУ, 1997.- 100 с.

45. Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: Учеб. пособие. Барнаул: АлтГТУ, 2000.- 394 с.

46. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Изд. 2-е, испр. - Л., 1974. - 280 с.

47. Кутенев В.Ф. Технические и экономические аспекты выбора проти-вотоксических мероприятий для двигателей // Автомоб. пром-сть. -1980. №3. - С. 1-3.

48. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотранспортных дизелей.-М.: Агропромиздат, 1991.-208 с.

49. Лозановская И.Н. и др. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении.-М.: Высшая школа, 1998.-287 с.

50. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологически чиста автомобильная энергоустановка: понятие и количественная оценка // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. М.: ВИНИТИ, 1998. - Т. 18.

51. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 2001. - 273 с.

52. Лупачев П.Д., Володин В.М., Маев В.Е., Коньков Р.Г. Снижение выбросов сажи с отработавшими газами тракторных дизелей. М.: ЦНИИТАИавтосельхозмаш, 1991. - 31 с. (Сер. 1. Тракторы и двигатели. Вып. 1.)

53. Методика проведения инвентаризации загрязняющих веществ в атмосферу для станций технического обслуживания автомобилей, М.: НИИАТ, 1992.

54. Методика определения выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух. М.: НИИАТ, НИИКТП, НИЦИАТМ, 1992.

55. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для АТП.-М.: НИИАТ, 1991.-81 с.

56. Мельберт А.А., Новоселов А.А., Артеменко Е.М., Русаков В.Ю. Уровни вредных выбросов транспортных дизелей с отработавшими газами // Вести. АлтГТУ им. И.И. Ползунова. 2001. - №3. - С. 83-87.

57. Мухтасимов Ф.Н., Федотов И.П., Зеленев Ю.В. Физические методы измерения.-Ташкент.: Издательство «Фан» Узбекской ССР, 1988. 569 с.

58. Некрасов В.Г. Городской автомобиль и экология // Автомоб. пром-сть. 1999. - №3. - С. 10-12.

59. Николаенко А.В., Белоусов А.Д., Протасов С.Н. Приведение дымности и токсичности отработавших газов тракторных дизелей к стандартным атмосферным условиям // Двигателестроение. 1989. - № 9.-С. 40-57.

60. Новиков Ю.В., Голубев И.Р. Окружающая среда и транспорт. М.: Транспорт, 1987.-207 с.

61. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. Учебное пособие для вузов.-М.: Агенство «ФАИР», 1998.-320 с.

62. Новиков JT.A., Смайлис В.И. Уровень и перспективы снижения токсичности и дымности судовых, тепловозных и промышленных дизелей: Обзор. -М: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. 28 с. (ДВС сер. 4, вып. 3).

63. Новоселов А.А., Новоселов A.JL, Мельберт А.А. Развитие систем каталитической очистки отработавших газов ДВС // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Сб. статей в 2 ч. Ч. 1.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ 1999.-С. 52-57.

64. Новоселов A.JI. Состояние проблемы снижения вредных выбросов дизелей / / Труды Алт. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1993.-Вып. 1.-С. 83-96.

65. Новоселов A.JL, Гулак Н.А., Кондратьев В.В. Структура дизельной сажи // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: Сб. статей / Под. ред. A.JL Новоселова Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000. - С. 53 - 55.

66. Новоселов A.JL, Мельберт А.А., Беседин C.JI. Основы инженерной экологии в двигателестроении: Учеб. пособие. Барнаул: Изд - во АлтГТУ, 1993.-98 с.

67. Новоселов A.J1., Унгефук А.В., Мельберт А.А. Решение проблемы совершенствования экологических показателей поршневых ДВС // Вести. АлтГТУ им. И.И. Ползунова. 2000. - № 2. - С. 13-19.

68. Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. -Ленинградское отделение.: «Энергия», 1975. 575с.

69. Оценка вредных выбросов дизелей ЧН 16,5/17 / А.Л. Новоселов, А.В. Гладышев, С.П. Кулмакаров и др. // Двигателестроение. 1989. -№9.-С. 46-49.

70. Охрана окружающей среды. Под редакцией С.В. Белова. М.: Высшая школа, 1991.

71. Охрана труда в химической промышленности: Учебное пособие. М.: МИТХТ, 1988. 128 с.

72. Павлова Е.И., Буралев Ю.В. Экология транспорта. Учебник для ву-зов. -М.: Транспорт, 1998.-232 с.

73. Павлюк А.С., Мельберт А.А. Системный подход в решении проблемы снижения вредных выбросов ДВС // Повышение экологической безопасности автотранспортной техники: Сб. статей. Барнаул: Академия транспорта РФ, АлтГТУ, 12998.-С. 5-9.

74. Патент № 2042935 RU, кл. G01M15/00. Способ определения фаз прямого выброса. Опубл. 27.08.95. Бюл. №24.

75. Патент № 2175439 RU, кл. GO 1 Ml5/00. Способ определения дымности отработавших газов дизельного двигателя. Опубл. 27.10.2001. Бюл. №30.

76. Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: «Россия молодая», 1994. - 367 с.

77. Родионов А.И. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. -512 с.

78. Рыбальский Н.Г. и др. Экология и безопасность. Справочник. Т.З. Технологическая безопасность. Ч. 1.-М.: ВНИИПИ, 1993.^472 с.

79. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Руководящий документ РД 52.04.186-89.

80. Самойлов Н.П. и др. Токсичность автотракторных двигателей и способы ее снижения. Казань: Изд-во КГУ, 1997. - 170 с.

81. Санитарные нормы и правила. СН и П 11-4-79 естественное и искусственное освещение. М.: Стройиздат, 1980. 40 с.

82. Справочная книга для электрического освещения / Под ред. Г.Н.Кноринга. JL: Энергия, 1976.369 с.

83. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности: ГОСТ 12.1.003-83. М.: Изд. стандартов, 1984.35 с.

84. ССБТ. Вибрации. Общие требования безопасности: ГОСТ 12.1.002-76. М.:

85. Современное оснащение экоаналитического и санитарного контроля.-Санкт-Питербург.: Научно-производственное объединение ЗАО «Крисмас+», 2002.- 136с.

86. Стребков С.В., Стрельцов В.В. Применение топлива, смазочных масел и технических жидкостей в агропромышленном комплексе. Белгород: Бел-гор. Госсельхозакадемия. - 1999.

87. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели.-JI.: Машиностроение, 1972.-128с.

88. Снижение вредных выбросов автомобильных двигателей в атмосферу / А.Л. Новоселов, В.Ф. Мироненко, А.Н. Токарев и др. / Под ред. А.Л. Новоселова. Барнаул: Алт. Краевое правл. Союза НИО СССР, 1988. - 97 с.

89. Снижение токсичности автотранспортных дизелей: Учебн. Пособие / А.Л. Новоселов, С.В. Новоселов, А.А. Мельберт и др. / Под ред. А.А. Новоселова. Барнаул: Б.И., 1996.- 122 с.

90. Современные технологии автоматизации. М.: Передовые технологии автоматизации, 2/2002. - 96с.

91. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб: Химия, 1997.-240 с.

92. Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути ее снижения: Докл. Участников симпозиума. М.: Наука, 1996.-408 с.

93. Тузов Л.И., Иванченко А.А., Щербаков А.А. Моделирование и расчет образования вредных веществ в цилиндре двигателя // Всерос. науч.-метод. конф.: Тез. Докл. Ч. 2.-СПб., 1996.-С. 236-238.

94. Уровни вредных выбросов различных двигателей внутреннего сгорания / М.В. Бойчук, А.А. Новоселов, А.Л. Новоселов и др. // Материалы междунар. науч.-практ. конф.-Томск: Изд-во НТЛ, 1998.- 199 с.

95. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 95с.

96. Феленберг Г. Загрязнения природной среды. Введение в экологическую химию. М.: Мир, 1997. - 232 с.

97. Филипосянц Т.Р., Кратко А.П. Пути снижения дымности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей. М.: НИИНавтопром, 1973.-72 с.

98. Филипов А.З. Токсичность отработавших газов тепловых двигателей. -Киевв: Высш. Шк., 1980. 159 с.

99. Черников В.А., Чекерес А.И., Соколов О.А. Экология и устойчивое сельское хозяйство. М.: Издательство МСХА, 2000. 359с.

100. Шегалов И.Л. Экологическая роль транспортных двигателей // Двигате-лестроение. 1986. - № 8. - С. 56 - 60.

101. Шегалов И.Л. Возможность вероятностного прогнозирования эколого-экономических ущербов от сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания // Двигателестроение. — 1989. № 10. - С. 56 - 58.

102. Экологический дизель: проблемы и пути решения / А.П. Гусаров, Л.М. Тартаковский, Т.Р. Филипосянц // Автомоб. Пром-сть. 1990.-№ 9. - С. 7 - 8.