автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.05, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета теплового комфорта работников цехов обувных предприятий

На правах рукописи

¿■Г

Пикалёв Артур Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА РАБОТНИКОВ ЦЕХОВ ОБУВНЫХ ПРЕДПРИЯТИИ

Специальность: 05.19.05 - Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 '5 мдр 2С72

005014461

На правах рукописи

Пикалёв Артур Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА РАБОТНИКОВ ЦЕХОВ ОБУВНЫХ ПРЕДПРИЯТИИ

Специальность: 05.19.05 - Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском государственном университете дизайна и технологии

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Свищев Геннадий Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кирсанова Елена Александровна

кандидат технических наук Грошева Наталья Николаевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Российский заочный институт

текстильной и легкой промышленности»

Защита состоится «21» марта 2012 г. в Ю.ООчас. на заседании диссертационного совета Д 212.144.01 в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 117997, г. Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии.

Автореферат диссертации разослан «20» февраля 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Лунина Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Значительную часть своей жизни человек проводит на работе. Для нормальной производственной деятельности необходимо обеспечить оптимальные условия труда, влияющие на тепловое самочувствие человека. В производственных помещениях по изготовлению обуви выполняются технологические операции, в результате которых выходят тепловыделения от оборудования и других источников, которые отрицательно влияют на состояние здоровья человека.

На существующих предприятиях с целью оценки состояния тепловой среды проводится аттестация рабочих мест по условиям труда. Для проектируемых или реконструируемых зданий предназначенных для изготовления обуви нет методики расчета, позволяющей прогнозировать состояние тепловой среды на рабочем месте для последующей её оценки. Именно поэтому, наиболее актуальным решением будет создание имитационной модели организации производственного процесса.

Необходимо отметить, что обувные предприятия требую I существенных энергетических затрат на производственные нужды. Это стало одной из причин кризисного состояния больших обувных фабрик. Адаптация предприятий к рыночным отношениям связана с сокращением энергетических затрат в производственных помещениях и обеспечением оптимальных условий воздушной среды.

Создание благоприятных тепловых условий на производстве обеспечит рациональный режим труда, увеличит количество и улучшит качество выпускаемой продукции, которая должна стать конкурентной на мировом рынке.

Объект исследования - обувное производство.

Предмет исследования - технологические процессы обувного производства как источники теплового воздействия на человека.

Цель и задачи исследования

Разработать методы прогнозирования и последующей оценки состояния тепловой среды на рабочих местах для проектируемых и реконструируемых обувных предприятий.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- осуществлен анализ современных российских и зарубежных нормативных требований в области теплового комфорта на обувных предприятиях;

- определены основные факторы, оказывающие негативное воздействие на тепловое состояние человека на производстве;

- проведены измерения микроклиматических показателей в производственном помещении на рабочих местах, выявлены зоны повышенных тепловыделений;

- проведены измерения теплопроводности спецодежды рабочего, получены исходные данные для построения процесса теплообмена;

- в качестве метода прогнозирования состояния тепловой среды, разработана имитационная модель нестационарного теплопереноса на примере цеха сборки обуви клеевого метода крепления;

- получены искомые выходные данные по микроклиматическим показателям в заданных точках на рабочих местах;

- проведена оценка согласованности результатов имитационного моделирования со значениями натурных измерений.

Методы исследования и технические средства решения задач

При построении математических моделей в работе использованы методы: системного анализа, планирования эксперимента, статистической обработки экспериментальных данных, математического моделирования, аналитической геометрии, современные методы физиолого-гигиенических исследований. В основу математической модели положены фундаментальные выводы теории теплопроводности и теплообмена.

При проведении расчетов математических моделей применялись численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных объемов.

Для решения поставленных задач использовалось программное обеспечение и следующие технические средства: Microsoft0ff¡ce2007; Mathcad 15; AutoCad 11; ArcbiCad 14; FDS 5.5.3 a; Smokeview 5.6.3, экспериментальная установка для определения теплопроводности текстильных материалов на базе кафедры материаловедения МГУДТ, термометр с крыльчатым анемометром LV-110S, психрометр аспирационный механический MB 4-2-М, пирометр x-lineplpro-300.

Научная новизна работы.

• Систематизированы факторы и процессы на обувном предприятии, оказывающие воздействие на состояние теплового комфорта.

• Рассмотрены нестационарные процессы теплообмена между человеком и окружающей производственной средой в цехе сборки обуви с учетом теплового сопротивления одежды.

• Разработана имитационная модель тешюпереноса на примере технологического потока сборки обуви клеевого метода крепления.

• Предложены методы прогнозирования теплового воздействия на стадии проектной и конструкторско-технологической подготовки производства.

• Проведен сравнительный анализ показаний натурных измерений, с данными полученными на основе численного расчета имитационной модели.

• Предложена методика прогнозирования состояния тепловой среды на рабочем месте, способствующая повышению эффективности проектных решений в организации процесса производства обуви.

Практическое значение:

- методика состояния тепловой среды на рабочем месте, позволяет на стадии проектирования или реконструкции обувного предприятия оценить

условия труда, а именно воздействие микроклиматических факторе;, к терморегуляцию организма человека на различных технологических операциях;

-в результате численного расчета теплопереноса в модели цеха сборки обуви в искомых точках на рабочих местах определены данные по температуре воздуха, скорости движения воздуха, влажности, температуре окружающих поверхностей;

- выходные численные данные, представленные в виде графиков и рисунков визуализации, позволяют оценить комплексное воздействие микроклиматических параметров на терморегуляцию человека в процессе производства обуви;

- использование данной методики способствует созданию благоприятных тепловых условий на производстве, обеспечивающих нормальный режим труда и производительность, снижение вероятности производственного утомления, заболеваний и травматизма;

- снижение энергозатрат при эксплуатации здания и ускорение процесса этапа проектирования предприятий по производству обуви способствует снижению экономической составляющей;

- разработанные компьютерные модели могут стать действенным инструментом для оценки различных вариантов организации технологического процесса на проектируемых, действующих, реконструируемых и модернизируемых обувных предприятиях с позиций теплового воздействия на состояние человека.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр химической технологии и промышленной экологии, промышленной безопасности экологии и строительного проектирования, художественного моделирования, конструирования и технологии изделий из кожи МГУДТ, на Международной научно-технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (г.Москва,

2010г.); научно-практических конференциях молодых ученых (« III и IV Московские фестивали науки» 2009, 2010г.); Межвузовской научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (г. Москва, 2010 г.). Полученные результаты внедрены в учебный процесс на кафедре ПБЭ и СП МГУДТ в виде учебных пособий «Проектирование предприятии отрасли».

Публикации. Основные положения проведенных исследований опубликованы в семи печатных работах, в том числе три - в научных изданиях, которые входят в список, утвержденный Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем работы. По своей структуре диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений.Объем диссертации составляют 142 страницы текста, включая 33 рисунка и 21 таблицу. Список использованных источников содержит 112наименований. Приложения приведены на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу литературной информации, освещающей состояние теплового комфорта на предприятиях обувной промышленности.

Тепло- и массообменными процессами происходящими при формировании микроклимата помещения занимались такие ученые как БанхидиЛ., Богословский В.Н., Блази В., Малявина Е.Г. и другие. Вопросами физиолого-гигиеническим требованиям к одежде для различных условий труда и климата Афанасьева Р.Ф., Делль, P.A., Колесников П.А., Витте Н.К. и другие. Состояние тепловой среды во взаимосвязи с рабочей одеждой для предприятий легкой промышленности наиболее полно отражено в работах Умнякова П.Н.

Здоровье, работоспособность и самочувствие человека в значительной степени определяются условиями труда в производственных помещениях, где он проводит значительную часть своего времени. В качестве объекта исследования теплового состояния на производстве по изготовлению обуви использовался пошивочный цех клеевого метода крепления. Выбранный производственный цех характеризуется наличием разнообразного производственного оборудования, технологическими операциями и энергозатратами людей в процессе работы, что влияет на условия труда на рабочих местах и значительно осложняет задачу создания теплового комфорта в условиях одного помещения.

Проведен системный анализ основных особенностей физиологии человека. Известно, что процессы метаболизма в организме человека вырабатывают необходимое количество тепла для обеспечения терморегуляции, однако в условиях производства способность поддерживать температуру в определенных границах снижается.

В исследуемом помещении проанализированы условия труда, выделена группа физических факторов, влияющих на терморегуляцию человека, к которым можно отнести микроклиматические показатели, характеризующиеся следующими величинами: температура воздуха, влажность воздуха, подвижность воздуха и показатели, зависящие от условий труда: температура поверхностей окружающих предметов и интенсивность труда. Представлены характерные зависимости сопутствующих факторов среды и

физиологии человека.

Сформулировано понятие теплового комфорта как термически

нейтрального состояния, когда механизмы терморегуляции не испытывают напряжение. Показателем комфортного теплового состояния является температура тела. В производственной среде она находится в определенных границах. Так как температура на различных участках поверхности тела и трудовая нагрузка разные, то предпочтительным показателем будет служить «средневзвешенная температура кожи» (СВЗТК). Для СВЗТК определен диапазон показателей комфортного теплового состояния, отмечена зависимость от микроклиматических показателей и энегозатрат.

Проанализировано использование выданной спецодежды и средств индивидуальной защиты в условиях обеспечения состояния теплового комфорта. Выделены физические характеристики, оказывающие влияние на

теплозащитные свойства материалов.

На производстве рассмотрена ранее проведенная аттестации рабочих мест по условиям труда. Микроклиматические параметры, воздействующие на организм человека, возможные производственные заболевания, возникающие во время технологического процесса производства обуви в

условиях тепловой среды.

Обзор литературы и нормативных документов позволил установить требования к показателям тепловой среды для комфортного состояния человека и обеспечения технологического процесса. Представление четкой картины состояния условий труда и факторов вредных воздействий, в

которых протекает трудовая деятельность внутри здания, способствует принятию инженерных мероприятий и необходимых действий для компенсации или нейтрализации вредных воздействий среды. Своевременное принятие мероприятий способствует повышению производительности труда на предприятии.

Во второй главе диссертационной работы проведены замеры микроклиматических параметров на рабочих местах цеха сборки обуви. Для измерения использовались следующие приборы: термометр, пирометр, анемометр, психрометр. Описана методика проведения измерений. Получены показания: температуры воздуха, скорости движения воздуха, влажности, температуры поверхностей оборудования на рабочих местах. Определены участки повышенных тепловыделений от оборудования. Проведенные исследования подтвердили соответствие метеорологических условий в цехе обувного предприятия требованиям СанПиН 2.2.4.548-96.

Для численного описания процесса теплообмена между системой «человек - одежда - окружающая производственной среда» на кафедре материаловедения МГУДТ методом мгновенного источника тепла определен коэффициент теплопроводности материалов спецодежды рабочего. Рассмотрен процесс передачи теплоты через пакет одежды рабочего. Проанализированы методы определения теплопроводности, выбран наиболее подходящий способ, заданы допущения.

В результате проведенных измерений получены исходные данные для построения процесса теплообмена в исследуемом помещении. С помощью математических уравнений записан процесс теплообмена человека с окружающей производственной средой. Подробно рассмотрено определение лучистой и конвективной составляющей теплообмена.

Анализ уравнений теплообмена показал их трудоемкость, зависимость от множества переменных факторов. Так, при расчете лучистого потока требуется учет геометрических характеристик поверхностей окружающих объектов, что значительно загромождает расчет. При расчете конвекций

наибольшую сложность представляет определение величины коэффициента конвективной теплоотдачи: эта величина не является постоянной и зависит от ряда переменных факторов. При нестационарной постановке задачи переменные факторы изменяют свою величину, что делает инженерный расчет не эффективным.

Для определения процессов теплообмена между человеком и окружающей производственной средой на рабочем месте в условиях цеха решено смоделировать тепловое воздействие от технологического потока с помощью численного расчета на компьютере.

В третьей главе с помощью численного расчета моделируется процесс теплопереноса в производственном цехе сборки обуви.

Для решения системы уравнений теплопереноса необходимо задать начальные граничные условия и входные данные. Геометрия объектов модели описывается координатами во входном файле. Основная сложность при построении модели представляло построение геометрии объектов, в нашем случае: стен, окон, расстановки производственного оборудования, а затем перевод этих объектов в координаты.

Для описания геометрии производственного цеха использовались -программы графического дизайна. На основе исходных планов с помощью программ AutoCad и ArchiCad (рис.1) согласно рисунку спроектирована и построена трехмерная модель цеха сборки обуви. Геометрические модели конвертированы в координаты, необходимые для численного расчета.

Для поверхностей оборудования, стен, окон, одежды в модели заданы физические свойства материалов: удельная теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность, коэффициент черноты.

[ - б Рисунок 1 - Геометрические модели технологического потока сборки обуви

а)АиюСас1; б)АгсЫСас1

Для численной реализации математических моделей теплообмена было использовано программное обеспечение в математической оболочке FDS, реализующее основные законы гидродинамики. Предположим, что для теплопереноса низкоскоростных температурно-зависимых потоков численно решается уравнением Навье-Стокса:

dUi dii[ 1 dp _2 /, Ч

--Н Ui— =---vv щ (1

dt ' dxj pdXi 1 4 '

где, щ — Ui(x, t) компоненты мгновенного поля скорости; v- коэффициент, кинематической вязкости; р - плотность; р - мгновенное значение давления; V2= d2/dxjdxj0ператор Лапласа.

В настоящее время существуют три основных и часто используемых метода моделирования конвективного теплопереноса: прямое численное моделирование (Direct Numerical Simulation, DNS), метод крупных вихрей

(Large Eddy Simulation, LES) и третий, который базируется на осредненных уравнениях Навье-Стокса (Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS).

Для моделирования теплопереноса использован метод крупных вихрей (LES). Выбор связан со сложностью задания начальных условий и необходимостью использования для остальных методов суперкомпьютеров с массовым параллелизмом, время счета которых исчисляется десятками часов, а расчеты ограничены течениями при относительно низких числах Рейнольдса.

Для моделирования теплопереноса посредством (LES) вся область производственного помещения разбивается на прямоугольные ячейки, называемые сетками (рис.2). Все вычисления выполняются в ячейках. Значения компонент скорости определяются на гранях конечных объемов, а скалярные характеристики — в центре. Разбив таким образом расчетную область, интегрируем каждое уравнение по каждому конечному объему. Расчет выполнялся в программе FDS.

а б

Рисунок 2 - Разбиение расчетной области на конечные объемы а) сетка, б) ячейка сетки

Вычислительный эксперимент был организован следующим образом. На технологическом потоке сборки обуви клеевого метода крепления по данным натурных измерений был выбран наиболее теплонапряженный участок. Это рабочее место операции активации клеевой пленки и прикрепление подошвы, рабочее место представлено следующим оборудованием (рис.3).

Моделировался процесс теплопереноса от эксплуатации термоакти-ватора в работе интенсифицированного («тепловым ударом») режима на производстве при изготовлении летних малодетских туфель, со временем термоактивации 5 сек., при температуре 220°С.

явШг

еЯШ

-шт

тдяг ягн

Рисунок 3 - Схема расположения оборудования на рабочем участке активации клеевой пленки: 1.Термоактиватор клеевой пленки на подошве и следе обуви 2. Пресс мембранного типа для приклеивания подошвы 3. Холодильная установка

4.Конвейер 5.Оператор

В результате расчета имитационной модели теплопереноса получены выходные микроклиматические показания в искомых точках модели (рис.4а). Обработанные данные представлены в виде графика (рис.46). Получено визуальное представление изменения микроклиматических показателей на рабочем месте в течении смены (рис.5).

шт

т

[11111111

Рисунок 4 - Изменение температуры в заданных точках с течением времени

а) б) в)

Рисунок 5 -Стратификация температуры на рабочем при выполнении операции активации клеевой пленки (а - вид спереди, б - вид сбоку, в - вид

сверху)

Аналогичным методом смоделирован участок, на котором происходит процесс оглаживания затянутых заготовок верха горячим воздухом (рис.6), смоделирован процесс подачи струи горячего воздуха.

горячим воздухом

В эксперименте моделируется процесс подачи струи горячего воздуха, отключение и включение в различном временном интервале. В исследуемую область поступает поток горячего воздуха с температурой 100°С и скоростью не менее 5 м/с.

В исследуемой модели (рис.7,а) рассматривался один из четырех существующих идентичных технологических потоков сборки обуви клеевого метода крепления, что позволило существенно уменьшить требуемые вычислительные ресурсы без потери точности расчета.

Подсчет теплопоступлений от электродвигателей, станков и механизмов производился по формуле, предложенной В.Н. Богословским, также модель технологического потока учитывает тепловыделения от человека, оборудования, отопления, вентиляции. Такие параметры, как мощность нагрева, охлаждения, величина расхода потребляемого воздуха для систем отопления, вентиляции, мощность производственного оборудования, принимались с использованием спецификаций предоставленных производителем. Задача решалась в нестационарной постановке. Окончанием расчета и получением решения являлась адекватность работы модели с изменением температуры на временном шаге при выполнении законов сохранения массы и энергии во всей области решения, а также выявления наибольших зон тепловыделений.

Рисунок 7 - Технологический поток сборки обуви

На рисунке 7 представлено поведение температурного поля в изометрии (рис.7г), видом сверху (рис.7в) и с боку(рис.7б), изображены локальные зоны повышенных температур. В результате использования имитационной модели получены показания на рабочих местах, которые были усреднены (рис.8) по пространственному и временному шагу в течении четырех часовой полусмены.

в цехе

Вычислительные затраты при моделировании четырехчасовой эксплуатации технологического потока сборки обуви составили около 19 часов на двухядерном компьютере с техническими характеристиками (AMD Athlon(tm)X2Dual-Core QL-60 1.90GHZ, RAM 4 Gb). В результате решения системы уравнений теплопереноса были получены микроклиматические данные в заданных точках и построены подробные поля скоростей, температур во всей исследуемой области производственного помещения.

В четвертой главе анализируется применимость и верификация модели. Применимость модели может быть использована при исследовании технологического процесса производства обуви. В качестве примера смоделирована работа технологической операций активаций клеевой пленки, сопоставлены данные в заданной точке разных методов термоактивации. В результате численного расчета представлены данные температуры в виде графиков (рис.9) в заданной точке рабочего места при режиме термоактивации: традиционным (со временем термоактивации 20 сек при

1=100°С) и интенсифицированным способом (со временем термоактивации 5 сек при 1=220°С).

Время, с

Рисунок 9 - График сравнения изменения температуры в заданной точке,

разными методами термоактивации

В существующем цехе сборки обуви клеевого метода крепления, как говорилось ранее, были проведены натурные измерения микроклиматических показателей на рабочих местах. Для получения аналогичных данных в имитационной модели были установлены точки измерения на рабочих местах согласно схеме (рис. 10), получены выходные данные.

Точки замеров на рабочих местах Рисунок 10 - Точки замеров параметров микроклимата в цехе сборки обуви

В результате обработки статистических данных натурных измерений и численного расчета определены средние, максимальные и минимальные значения температуры и скорости движения воздуха в помещении (табл.1).

Таблица 1- Среднеарифметические микроклиматические показатели в цехе

Показатели Натурные измерения Численный расчет

Среднее значение Максимальное значение Минимальное знамени е Среднее значение Максимальное значение Минимальное значение

Температура, "С 24,8 28,7 24 25,19 34,91 23,48

Подвижность воздуха, м/с 0,14 0,3 0,08 0,19 0,82 0,00

Влажность, % 51,8 59 43 -

Температура окружающих поверхностей,°С 24,3 40 . 19

В диссертации применены методы математического анализа, использующие информационные технологии статистики для обработки выходных данных, которые реализуются на базе вычислительной техники. Определены вариации средних величин (табл.2) для температуры и подвижности воздуха в помещении, показаний натурных измерений и результатов численного расчета имитационной модели в цехе сборки обуви клеевого метода крепления.

Таблица 2- Статистическая обработка полученных данных

Показатели Натурные измерения Численный расчет

Температуры Подвижности воздуха Температуры Подвижности воздуха

Дисперсия 1,129 0,002 3,098 0,033

Мода 24,300 0,100 24 0,12

Медиана 24,400 0,130 24,512 0,15

Эксцесс 6,711 2,291 12,797 1,487

Полученные выходные данные на основе имитационной модели, могут быть использованы для оценки состояния тепловой среды на рабочем месте требованиям ГОСТ 12.1.005 - 88. Практическое применение результатов, включающее сравнение натурного эксперимента с данными полученными математического расчета на ЭВМ, позволяет сделать заключение об адекватности имитационной модели, при исследовании реальных физических процессов.

В заключении четвертой главы диссертационной работы проведен анализ санитарно-гигиенических факторов влияющих на величину интегральной оценки категорий тяжести труда. Аналитический расчет на основе межотраслевых методических рекомендации по «оценке влияний условий труда на производительность и эффективность производства» показал, что при снижении вредных воздействий физических факторов с допустимых до оптимальных микроклиматических показателей, приведет к снижению коэффициента травматизма с 2,4 до 1,6; утомления 51 до 34 и повышения производительности на 7%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературы и нормативно-технической документации выявил, что на данный момент состояние тепловой среды на обувных предприятиях малоизученно и недооценено, отсутствует методика прогнозирования теплового состояния на рабочих местах.

2. В исследуемом цехе сборки обуви клеевого метода крепления выявлена совокупность вредных факторов производственной среды, оказывающая воздействие на комфортное тепловое состояние в ходе трудового процесса.

3. Проведены измерения параметров микроклимата в цехе с помощью современных приборов. Получены данные замеров на рабочих местах по температуре воздуха, скорости движения воздуха, влажности, температуры окружающих поверхностей. Определены участки повышенных

тепловыделений. Проведенные исследования подтвердили соответствие метеорологических условий в цехе обувного предприятия требованиям СанПиН 2.2.4.548-96.

4. Рассмотрен процесс передачи теплоты через пакет спецодежды рабочего. Проанализированы методы определения теплопроводности, выбран оптимальный способ, заданы допущения. Методом мгновенного источника тепла определена теплопроводность материалов. В результате проведенных измерений получены исходные данные для построения процесса теплообмена в исследуемом помещении.

5. Разработаны рекомендации к алгоритму прогнозирования состояния тепловой среды с использованием имитационной модели технологического потока сборки обуви, для обеспечения в цехе устойчивого состояния системы «человек - производственная среда».

6. В результате численного расчета теплопереноса в модели цеха сборки обуви в искомых точках на рабочих местах определены данные по температуре, скорости движения воздуха, влажности, температуре окружающих поверхностей. Построены графики изменения микроклиматических показателей с течением времени на рабочих местах. Визуально продемонстрирован процесс теплопереноса в цехе сборки обуви.

7. Анализ обработки результатов измерений, включающей сравнение натурного эксперимента с данными, полученными численным расчетом на персональном компьютере, позволяет сделать заключение об адекватности работы модели.

8. Разработанные модели теплопереноса позволяют оценить и спрогнозировать условия теплового состояния на рабочем месте, на стадии проектирования, реконструкции и технического перевооружения предприятия по производству обуви.

9. Результаты работы имеют социальный и экономический эффекты, выражающиеся в своевременном обеспечении научно-производственного персонала удобным инструментом планирования и

организации технологических процессов на обувных предприятиях.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ»:

1. Пикалёв A.B., Свищев Г.А. Совершенствование теплового комфорта, соответствующего экологической безопасности на обувных предприятиях[Текст] // Научный журнал Дизайн и технология. Выпуск №15(57), С 78-80 -0,26 п.л. (лично автором - 0,08п.л.). - М: МГУДТ, 2010

2. Свищев Г.А., Седляров О. И., Пикалёв A.B. Моделирование теплового комфорта на технологическом потоке сборки обуви [Текст] // Дизайн и технология. - 2010. - №20(62). - С 13-20. -0,41 п.л. (лично автором - 0,14пл.).-М: МГУДТ, 2010.

3. Пикалёв А. В., Свищев Г. А., Куранов В. В, Седляров О. И. Моделирование теплового воздействия на технологическом потоке сборки обуви[Текст] ././ Научный журнал Дизайн и технология. Выпуск №26(68), -0,36 п.л. (лично автором - 0,09п.л.). - М: МГУДТ, 2011.

Другие публикации:

4. Свищев Г.А., Пикалёв A.B., Влияние параметров микроклимата на организм человека и производственный процесс в обувных предприятиях[Текст] // Сборник тезисов доклада межвузовской научно-практической студенческой конференции «Молодая наука». М:МГУДТ, 2009. -0,09 п.л. (лично автором - 0,04п.л.).

5. Свищев Г.А., Пикалёв A.B., Повышение конкурентоспособности обувных предприятий за счет создания в цехах благоприятного микроклимата. [Текст] // Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности: Сборник материалов Международной научно-технической конференции. В 3-х книгах / РосЗИТЛП. М„ 2010. Книга третья . -0,06 пл. (лично автором - 0,02 пл.).

6. Свищева О. К., BO-04I, Пикалёв A.B., Экологическая безопасность на обувных предприятиях. [Текст] // «62-ая Научная конференция, Молодые ученые XXI веку посвященная 80- детию университета». М:,МГУДТ, 2010.-0,08 п.л. (лично автором - 0,02 пл.).

7. Пикалёв A.B., Тепловой комфорт на обувных предприятиях. [Текст] // Сборник тезисов докладов II международной научно-практической конференции«Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». М:, МГУДТ,2010.-0,07 п.л. (лично автором - 0,02 п.л.).

ПИКАЛЁВ АРТУР ВЛАДИМИРОВИЧ

Совершенствование методов расчета теплового комфорта работников цехов

обувных предприятий Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Усл.-печЛ ,0 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № /12

Редакционно-издательский центр МГУДТ 117997, г.Москва, ул.Садовническая, 33, стр.1 Тел/факс (495)506 72 71 e-mail: rfrost@yandex.ru Отпечатано в РИО МГУДТ

61 12-5/1749

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи ПИКАЛЁВ АРТУР ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА НА ОБУВНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Специальность: 05.19.05 - Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-

галантерейных изделий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-кандидат технических наук, профессор Свищев Г.А.

Москва 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ................................................................4

I. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ОСВЕЩАЮЩЕЙ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБСТАНОВКИ НА ПРЕДПРИЯТИИ ОБУВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Технологический процесс производства обуви. Выбор исследуемого участка......................................................................9

1.2 Условия труда на предприятиях по производству обуви...........15

1.3 Микроклиматические показатели на предприятии по производству обуви........................................................................

1.4 Нормативные требования к микроклимату производственных цехов обувных предприятий............................................................19

1.5 Назначение и роль спецодежды рабочего.............................21

1.6 Теплоощущения и изменение теплового состояния человека на производстве. Понятие теплового комфорта.........................................24

1.7 Влияние микроклиматических параметров на организм человека......................................................................................29

Выводы по первой главе..........................................................31

II. ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА «ЧЕЛОВЕК-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СРЕДА» ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОБУВНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

2.1 Проведение замеров микроклиматических параметров на рабочем месте. Приборы для проведения измерений. Методика проведения измерений...............................................................................................................34

2.2 Анализ результатов замеров параметров микроклимата...........40

2.3 Определение теплопроводности спецодежды рабочего персонала. Расчет теплопроводности пакета одежды...........................................................41

2.4 Теплообмен человека с окружающей производственной средой внутри выбранного производственного помещения........................................47

2

2.5 Расчет лучистого теплообмена от поверхностей.....................51

2.6 Расчет конвективного теплообмена....................................53

Выводы по главе....................... ....................................56

III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ОБУВИ

3.1 Использование программного обеспечения в построения модели

процесса теплообмена человека с окружающей производственной сред ой... 5 8

3.2 Описание построения геометрии пространственной модели......61

3.3 Задание свойств поверхностей и материалов модели...............65

3.4 Использование вычислительной сетки в модели....................67

3.5 Построение модели участка активации клеевой пленки............68

3.6 Построение модели участка оглаживания затянутых заготовок верха горячим воздухом..................................................................75

3.7 Построение модели производственного потока сборки обуви....78

3.8 Расшифровка выходных данных.........................................82

Выводы по главе....................................................................85

IV. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Анализ построенной модели температурного режима в помещении сборки обуви................................................................87

4.2 Проверка адекватности модели. Сопоставление с аналитическими решениями............................................................91

4.3 Оценка производительности труда, травматизма..................101

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................................105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................118

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Значительную часть своей жизни человек проводит на работе. Для нормальной производственной деятельности необходимо обеспечить оптимальные условия труда, влияющие на тепловое самочувствие человека. В производственных помещениях по изготовлению обуви выполняются технологические операции, в результате которых выходят тепловыделения от оборудования и других источников, которые отрицательно влияют на состояние здоровья человека.

На существующих предприятиях с целью оценки состояния тепловой среды проводится аттестация рабочих мест по условиям труда. Для проектируемых или реконструируемых зданий предназначенных для изготовления обуви нет методики расчета, позволяющей прогнозировать состояние тепловой среды на рабочем месте для последующей её оценки. Именно поэтому, наиболее актуальным решением будет создание имитационной модели организации производственного процесса.

Необходимо отметить, что обувные предприятия требуют существенных энергетических затрат на производственные нужды. Это стало одной из причин кризисного состояния больших обувных фабрик. Адаптация предприятий к рыночным отношениям связана с сокращением энергетических затрат в производственных помещениях и обеспечением оптимальных условий воздушной среды.

Создание благоприятных тепловых условий на производстве обеспечит рациональный режим труда, увеличит количество и улучшит качество выпускаемой продукции, которая должна стать конкурентной на мировом рынке.

Объект исследования - обувное производство.

Предмет исследования - технологические процессы обувного производства как источники теплового воздействия на человека.

Цель и задачи исследования

Разработать методы прогнозирования и последующей оценки состояния тепловой среды на рабочих местах для проектируемых и реконструируемых обувных предприятий.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- осуществлен анализ современных российских и зарубежных нормативных требований в области теплового комфорта на обувных предприятиях;

- определены основные факторы, оказывающие негативное воздействие на тепловое состояние человека на производстве;

- проведены измерения микроклиматических показателей в производственном помещении на рабочих местах, выявлены зоны повышенных тепловыделений;

- проведены измерения теплопроводности спецодежды рабочего, получены исходные данные для построения процесса теплообмена;

- в качестве метода прогнозирования состояния тепловой среды, разработана имитационная модель нестационарного теплопереноса на примере цеха сборки обуви клеевого метода крепления;

- получены искомые выходные данные по микроклиматическим показателям в заданных точках на рабочих местах;

- проведена оценка согласованности результатов имитационного моделирования со значениями натурных измерений.

Методы исследования и технические средства решения задач

При построении математических моделей в работе использованы методы: системного анализа, планирования эксперимента, статистической обработки экспериментальных данных, математического моделирования, аналитической геометрии, современные методы физиолого-гигиенических исследований. В основу математической модели положены

фундаментальные выводы теории теплопроводности и теплообмена.

5

При проведении расчетов математических моделей применялись численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных объемов.

Для решения поставленных задач использовалось программное обеспечение и следующие технические средства: Microsoft 0ffice2007; Mathcad 15; AutoCad 11; ArchiCad 14; FDS 5.5.3 a; Smokeview 5.6.3, экспериментальная установка для определения теплопроводности текстильных материалов на базе кафедры материаловедения МГУДТ, термометр с крыльчатым анемометром LY-110S, психрометр аспирационный механический MB 4-2-М, пирометр x-lineplpro-300.

Научная новизна работы.

• Систематизированы факторы и процессы на обувном предприятии, оказывающие воздействие на состояние теплового комфорта.

• Рассмотрены нестационарные процессы теплообмена между человеком и окружающей производственной средой в цехе сборки обуви с учетом теплового сопротивления одежды.

• Разработана имитационная модель теплопереноса на примере технологического потока сборки обуви клеевого метода крепления.

• Предложены методы прогнозирования теплового воздействия на стадии проектной и конструкторско-технологической подготовки производства.

• Проведен сравнительный анализ показаний натурных измерений, с данными полученными на основе численного расчета имитационной модели.

• Предложена методика прогнозирования состояния тепловой среды на рабочем месте, способствующая повышению эффективности проектных решений в организации процесса производства обуви.

Практическое значение:

- методика состояния тепловой среды на рабочем месте, позволяет на

стадии проектирования или реконструкции обувного предприятия оценить

б

условия труда, а именно воздействие микроклиматических факторов на терморегуляцию организма человека на различных технологических операциях;

-в результате численного расчета теплопереноса в модели цеха сборки обуви в искомых точках на рабочих местах определены данные по температуре воздуха, скорости движения воздуха, влажности, температуре окружающих поверхностей;

- выходные численные данные, представленные в виде графиков и рисунков визуализации, позволяют оценить комплексное воздействие микроклиматических параметров на терморегуляцию человека в процессе производства обуви;

- использование данной методики способствует созданию благоприятных тепловых условий на производстве, обеспечивающих нормальный режим труда и производительность, снижение вероятности производственного утомления, заболеваний и травматизма;

- снижение энергозатрат при эксплуатации здания и ускорение процесса этапа проектирования предприятий по производству обуви способствует снижению экономической составляющей;

- разработанные компьютерные модели могут стать действенным инструментом для оценки различных вариантов организации технологического процесса на проектируемых, действующих, реконструируемых и модернизируемых обувных предприятиях с позиций теплового воздействия на состояние человека.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения

и результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях

кафедр химической технологии и промышленной экологии, промышленной

безопасности экологии и строительного проектирования, художественного

моделирования, конструирования и технологии изделий из кожи МГУДТ, на

Международной научно-технической конференции «Инновационность

научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (г. Москва,

7

2010г.); научно-практических конференциях молодых ученых («III и IV Московские фестивали науки» 2009, 2010г.); Межвузовской научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (г. Москва, 2010 г.). Полученные результаты внедрены в учебный процесс на кафедре ПБЭ и СП МГУДТ в виде учебных пособий «Проектирование предприятии отрасли».

Публикации. Основные положения проведенных исследований опубликованы в семи печатных работах, в том числе три - в научных изданиях, которые входят в список, утвержденный Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем работы. По своей структуре диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляют 145 страницы текста, включая 33 рисунка и 21 таблицу. Список использованных источников содержит 112 наименований. Приложения приведены на 25 страницах.

I. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ОСВЕЩАЮЩЕЙ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОВОЙ ОБСТАНОВКИ НА ПРЕДПРИЯТИИ ОБУВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1Технологический процесс производства обуви. Выбор исследуемого участка

Тепло- и массообменными процессами происходящими при формировании микроклимата помещения занимались такие ученые как Банхиди Л., Богословский В.Н., Блази В., Малявина Е.Г. и другие. Вопросами физиолого-гигиеническим требованиям к одежде для различных условий труда и климата Афанасьева Р.Ф., Делль, P.A., Колесников П.А., Витте Н.К. и другие. Состояние тепловой среды во взаимосвязи с рабочей одеждой для предприятий легкой промышленности наиболее полно отражено в работах Умнякова П.Н.

Здоровье, работоспособность и самочувствие человека в значительной степени определяются условиями труда в производственных помещениях, где он проводит значительную часть своего времени.

Современная фабрика массового производства обуви - это предприятие с большим числом производственных и обслуживающих цехов. К производственным цехам относятся раскройный, вырубочный и сборочные (швейно-пошивочные). К обслуживающим цехам относятся ремонтно-механический, электрический, химический, тарный и другие. Процесс производства обуви состоит из большого числа операций: раскроя и разруба обувных материалов, обработки выкроенных деталей, сборки деталей верха в заготовку, сборки заготовки верха и деталей низа в готовую обувь, отделки. Для исследования тепловыделений и оценки воздействий на теплоощущения человека, необходимо определить границы исследуемого объекта. В качестве примера рассмотрено предприятие по изготовлению обуви «Егорьевск-обувь» (рис 1.1). Здание производственного корпуса представ-

ляет собой двухэтажный объем, без подвала, с чердачным помещением. Производственный корпус с одного торца сблокирован с административным зданием, в котором расположена столовая и кабинеты административно-служебного назначения, а с другого торца - через переход-экспедицию - со складом сырья и готовой продукции.

Рисунок 1.1 Производственное предприятие по изготовлению обуви

Производственная мощность в натуральном выражении составляет 3800-4200 пар в смену (в зависимости от вида, модели и ростовочного ассортимента). Количество рабочих дней в году - 253. Количество рабочих часов в неделю - 40.

На первом этаже расположены: закройно-штамповочный (вырубочный цех), пошивочный цех (цех пошива обуви), ремонтно-механический цех. Бытовые помещения: санузлы мужские и женские с кабиной личной гигиены, курительные, кладовые уборного инвентаря предусмотрены отдельными для каждого цеха.

На втором этаже расположено: заготовочный цех (цех по сбору заготовок верха обуви), экспериментальный цех, комната модельеров и технологов, отдел сбыта, комната переговоров с покупателями, ассортиментный (выставочный кабинет) кабинет, ремонтно-механический

цех, комната электриков, комната сантехников, кладовые и подсобные помещения общезаводского назначения.

В качестве исследуемого участка в диссертации принят пошивочный цех клеевого метода крепления на существующем предприятии «Егорьевск-обувь». Выбор цеха был связан с наличием различного технологического оборудования и операции на рабочих местах, в отличие, например, от вырубочного цеха, где большая часть помещения отведена прессам. Как установлено, в сборочном цехе находится различное производственное оборудование, а значит тепловыделения от оборудования, тяжесть труда и как следствия условия труда будут различными в условиях одного производственного помещения.

В сборочном цехе происходит затяжка готовой заготовки на колодке с последующим креплением подошвы. Цех проектировался состоящим из трех конвейеров (рис. 1.2), один из конвейеров представлен на (рис. 1.3) количество пар обуви выпускаемых одним конвейером составляет 900 пар/в смену.

Рисунок 1.2 Промышленный цех сборки обуви

Фабрика производит следующие группы обуви торговой марки «Котофей»: школьная, малодетская - клеевого методов крепления подошвы.

Г®

О-> X

Рисунок 1.3 Схема размещения оборудования на потоке сборки обуви

На исследуемом производственном конвейере рисунок 1.3, представлен перечень технологических операций (табл. 1.1) и оборудования (табл. 1.2), необходимых для сборки и отделки конструкций обуви клеевого метода крепления. Производственный процесс сборки обуви характеризуется различными технологическими операциями и оборудованием, следовательно, класс условий труда и категория тяжести из-за тепловыделений от оборудования и физических нагрузок разные.

Таблица 1.1. Перечень операций на технологическом потоке сборки обуви

№ п/п Перечень операций

1 Получение заготовок, запуск заготовок на конвейер согласно плана-производства в ростовочном ассортименте по графику запуска.

2 Увлажнение заготовок верха обуви

3 Дублирование подкладки с верхом заготовки

4 Обстрачивавние заготовок по затяжной кромке

5 Чистка колодок

6 Вклеивание задника

7 Подбор колодок

8 Прикрепление основной стельки

9 Предварительное формование пяточной части заготовки верха обуви

10 Надевание заготовки верха обуви на колодку и установка пяточной части. Обтяжка и клеевая затяжка носочно-пучковой части заготовки. Активация подноска.

Продолжение табл. 1.1

11 Намазка затяжной кромки заготовки верха обуви и стелек клеем. Сушка

12 Перетяжка заготовки верха обу�