автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Защита рабочих от электромагнитного излучения высокой частоты в условиях конвейерного производства

5 ■' \ Л--.,.. .

' , Г. : \ V I ' '

V V ■" ч. < ' \ : '1

и" / ' 4 4 '

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукоп^и

ФЕДОРОВ Михаил Нико.

¡у /

УДК 537.8:331.44

ЗАЩИТА РАБОЧИХ ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ В УСЛОВИЯХ КОНВЕЙЕРНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

05.26.01 - Охрана труда

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Репринцев Д. Д.

Научный консультант-кандидат физ. - мат. наук, доцент Мочалов М.М.

ВОРОНЕЖ - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТАЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........ 9

1.1. Классификация источников электромагнитного излучения.........9

1.2 .Электромагнитные параметры устройств индукционного

нагрева..........................................................................................13

1.3 .Физические характеристики основных параметров ЭМП...........16

1.4. Действие на организм человека и гигиеническое нормирование ЭМИ...................................................................................................19

1.5. Принципы, методы и средства защиты от ЭМП..........................27

1.6. Цель и задачи исследований..........................................................33

1.7. Выводы по главе.............................................................................34

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ОТ ИНДУКТОРОВ ВЧ-УСТАНОВКИ.........................................36

2.2. Математический аппарат векторного анализа для прогнозирования распределения уровней ЭМП.....................................................36

2.3. Исследование эффективности магнитной проницаемости сердечника....................................................................................................42

2.4. Прогнозирование пространственного распределения напряженности Е-составляющей электромагнитного поля влагопогла-щающих установок............................................................................45

2.5. Исследование влияния взаимного расположения индукторов на структуру ЭМП..................................................................................47

2.6. Выводы по главе.............................................................................52

З.ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ЭМП

53

3.1. Постановка задачи выбора средств защиты от ЭМП в условиях конвейерного производства..................................................................53

3.2. Введение функции приемлемого риска при выборе средств защиты от ЭМП в условиях конвейерного производства...........................55

3.3. Оптимизация выбора средств защиты от электромагнитных полей в условиях конвейерного производства.....................................59

3.4. Выводы по главе.............................................................................63

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКРАНИРОВАНИЯ ТКАНЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ................................................64

4.1. Методы и средства экспериментальных исследований................64

4.2.Экспериментальные результаты исследований эффективности

экранирования.............................................................................71

4.3. Средства индивидуальной защиты от ЭМИ в виде костюмов и фартуков...............................................................................................74

4.4. Выводы по главе............................................................................78

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................................................79

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................81

7. ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................92

8. ПРИЛОЖЕНИЕ 2.....................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

В технологических процессах различных отраслей промышленности используются установки высокочастотного (ВЧ) нагрева, работающие на частотах от 30 кГц до 30 МГц. К потребителю, как правило, поступают серийно выпускаемые установки, в которых не предусмотрены средства защиты человека от воздействия электромагнитного поля. В этой связи предприятия вынуждены собственными силами разрабатывать и внедрять средства защиты, приемлемые для данного производства. Так, на большинстве заводов электронной промышленности нашли широкое применение ВЧ-печи, работающие на частоте f=440 кГц. Воронежский завод по производству электроннолучевых трубок (кинескопов) в системе основного конвейерного производства использует подобные установки мощностью от 5 до 50 кВт в таких технологических операциях, как вварка фиксаторов, распыление влагопоглатителя и др. Всего с учетом трехсменной работы (при 8 часовом рабочем дне) воздействию электромагнитного поля подвергаются 60 человек, находящихся в ближней зоне от источника. Согласно результатам аттестации на 20 рабочих местах электрическая напряженность поля превышает нормируемые значения в 3 - 4 раза и составляет от 150 до 200 В/м. В неосновном производстве занято 12 человек; здесь напряженность электрической составляющей поля (Е, В/м) на 4 рабочих местах выше предельно допустимых уровней (ПДУ) на 30 - 40 В/м.

Превышение ПДУ напряженности на рабочих местах приводит к нарушению сердечно-сосудистой и центрально-нервной систем, прогрессиро-ванию такого заболевания, как нарушение репродуктивных функций у мужчин, катаракта глаз и др.

Анализ основных типов ВЧ-установок, используемых в условиях конвейерного производства, показывает, что они являются источниками повышенного уровня ЭМИ на рабочих местах. В этой связи актуальной зада-

чей для предприятий, использующих конвейерный способ производства, является выбор средств защиты организма человека от воздействия ЭМП, как вредного производственного фактора. Выбор средств защиты должен основываться на прогнозировании ожидаемых уровней ЭМП на рабочих местах с определением границ санитарно-загцитных зон на стадии проектирования и планирования производственных участков. С учетом специфики производства целесообразно рассмотреть используемые защитные средства на основе оптимизации функции приемлемого риска, которая минимизируется по энергетической экспозиции при минимальных издержках и затратах. Для защиты от ЭМП в энергетике используются средства индивидуальной защиты (СИЗ) - костюмы, изготовленные из ткани, армированной медным проводом. Костюмы в процессе работы из-за многократных механических деформаций, приводящих к разрыву проводов, теряют свои защитные функции. Поэтому возникла необходимость применения новых тканей, расширения номенклатуры средств индивидуальной защиты от ЭМП и внедрения их в другие производственные отрасли.

Основными задачами исследования являются: разработка математической модели для прогнозирования уровня ЭМП; методика расчета границ санитарно-защитной зоны на стадии проектирования промышленных производственных участков; оптимизация средств защиты от ЭМП в условиях конвейерного производства; разработка и изготовление установок, а также методик для определения эффективности экранирующих свойств тканей в диапазоне от 50 Гц до 1,5 МГц; изготовление и внедрение СИЗ.

Основные положения диссертации были доложены на девяти научных конференциях и симпозиумах (научно-техническая конференция "Почва, отходы производства и потребления; проблемы охраны и контроля", Пенза: ПДНТП, 1996 г.; Российский молодежный научный симпозиум "Молодежь и проблемы информационного и экологического мониторинга". ВГТА, 1997г..; Вторая республиканская электронная научная конференция

"Современные проблемы информатизации". ВГТУ, 1997г.; Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция "Интеллектуальный потенциал Сибири". Новосибирск, 1997г.; третья региональная научно-техническая конференция "Вопросы региональной экологии". Тамбов, 1998г.; европейская научная конференция - ЕЕР'98. Польша, 1998г.; третья всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности". Санкт-Петербург, 1998г.; четвертая научно-техническая конференция стран СНГ "Процессы и оборудование экологических производств". Волгоград, 1998г.

Научная новизна работы.

Разработана математическая модель для прогноза уровней электрической составляющей напряженностей ЭМП для одного и нескольких источников. Проведены экспериментальные измерения уровней ЭМП от индукторов различной конфигурации, показавшие адекватность полученных результатов с расчетными.

Методика и расчет оценки эффективности средств защиты от воздействия ЭМП методом оптимизации функции приемлемого риска.

Практическая значимость.

Результатом выполненной работы является разработка, изготовление и внедрение СИЗ от ЭМП из ткани на основе электропроводящей нити в виде костюмов и фартуков, позволивших при рабочей частоте генератора 440 кГц снизить уровень ЭМИ, вредно действующего на рабочего, до 20 дБ.

Разработана экспериментальная установка для оценки экранирующих свойств тканей в интервале частотного диапазона 50 Гц -1,5 МГц и предложена методика исследований.

Разработана экспериментальная установка и методика для измерения экранирующих свойств тканей по электрической составляющей на частоте 50 Гц.

Получены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность экранирования ЭМП тканями ТЭН-08 и ТЭН-09.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель для прогноза уровней электрической составляющей напряженности ЭМП для одного и нескольких источников.

2. Экспериментальная установка для измерения экранирующих свойств тканей в интервале частотного диапазона 50 Гц-1,5 МГц и методика исследований.

3. Экспериментальная установка для измерения экранирующих свойств тканей по электрической составляющей на частоте 50 Гц и методика исследований.

4. Результаты экспериментальных исследований эффективности экранирования ЭМП тканями типа ТЭН-08 и ТЭН-09.

5. Расчет и методика оценки эффективности средств защиты методом оптимизации функции приемлемого риска.

6. Средства индивидуальной защиты: костюмы и фартуки, изготовленные из электропроводящих тканей типа ТЭН-08 и ТЭН-09.

Реализация работы в промышленности.

Результаты работы были использованы при разработке рекомендаций по оценке и выбору средств защиты от ЭМП при конвейерном производстве цветных кинескопов на Воронежском заводе электровакуумных приборов.

Индивидуальные средства защиты (костюмы и фартуки) внедрены на заводе электровакуумных приборов и механическом заводе г. Воронеж.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 131 странице и состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованной литературы из 113 наименований; имеет 20 рисунков и 13 таблиц, 2 приложения. В приложения вынесены результаты экспериментальных исследований распределения

уровней ЭМП от различных индукторов и технические акты внедрения научно-исследовательской работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Классификация источников электромагнитного излучения

На предприятиях электронной и машиностроительной промышленности применяются установки высокочастотного (ВЧ) нагрева, которые являются источниками ЭМП. К числу таких установок относятся: плавильные печи индукционного нагрева, термические установки для закалки и цементации инструмента, устройства индукционного и диэлектрического нагрева и другие, что выводит вопросы охраны труда, в частности, защиту от отрицательного воздействия ЭМП, в разряд актуальных.

Внедрение средств автоматизации и роботизации технологических процессов, наиболее радикально решающих задачи защиты человека от ЭМП, в условиях экономического кризиса в стране не всегда приемлемы, поскольку на реализацию таких средств защиты требуются большие денежные вложения.

Распространение индукционного нагрева и перспективы его развития в условиях производства обусловлены рядом постоянно действующих причин:

- высоким качеством нагрева вследствие быстроты процесса, отсутствием загрязнений, достижимостью любых температур, возможностью использования различных давлений и вакуума и т. д.;

- гибкостью и высокой точностью управления из-за малой инерционности процесса;

- сбережением материальных, трудовых и, во многих случаях, энергетических ресурсов благодаря уменьшению потерь материала в процессе нагрева, повышению качества продукции, увеличения производительности труда;

- уменьшением вещественного загрязнения окружающей среды.

Однако "... преимущество метода могут быть в полной мере использованы лишь в том случае, если имеется точное представление о тех зависимостях, которым подчиняется метод не только в целом, но и в отдельных его частях". Эти слова В.П.Вологдина, высказанные в 1947 г. [1], полностью сохранили свою актуальность сегодня.

В научных публикациях, посвященных различным видам индукционного нагрева [2, 3, 4], в основном описываются сами установки и очень мало внимания уделяется вопросу защиты рабочих, и обслуживающих эти установки, от вредного воздействия ЭМП.

Ряд основополагающих исследований по теории вихревых токов содержится в работах Фуко, Хевисайда, Томсона, Герца, Лодыгина и других ученых [5]. Однако широкое промышленное применение метод получил благодаря работам В.П. Вологдина, Е. Нортрупа (Е. Могйиир), Г.И. Бабата [6], М.Г. Лозинского [7], Н.М. Родигина [8] и др.

Известно, что вихревые токи создаются в проводящем теле, помещенном в магнитном поле при условии, если хотя бы часть замкнутых контуров, которые можно выделить в объеме этого тела, пронизывается изменяющимся во времени магнитным потоком. Вихревые токи создают собственные магнитные и результирующие поля.

Устройства индукционного нагрева, основанные на изменении поля возбуждения во времени, состоят в общем случае из нагреваемого тела, индуктирующей обмотки, тепловой изоляции, магнитопроводов, подачи охлаждающей воды.

По мнению многих авторов [9 - 20], классификация индукционных устройств может проводиться по назначению, частотному диапазону, геометрической форме системы и режиму работ.

Нагревательное устройство служат для прямого или косвенного нагрева материалов. При прямом индукционном нагреве теплота выделяется за счет поглощения энергии ЭМП непосредственно нагреваемым (рабочим)

телом. При косвенном нагреве теплота выделяется в промежуточном нагревателе, от которого передается нагреваемым телам.

К устройствам прямого нагрева относится подавляющее большинство нагревателей металлических изделий под термическую обработку (поверхностную и объемную закалку, отжиг, отпуск) и пластическую деформацию (прокатку, штамповку, прессование, гибку и т.д.). Для них характерна передача больших удельных мощностей, создание требуемого температурного поля, малая тепловая инерция, достижимость практически любых температур.

К устройствам косвенного нагрева относятся устройства: температуры и удельные мощности которых ограничены теплоотдачей от промежуточного нагревателя и его жаростойкостью и обычно невелики. Однако с помощью этих устройств можно получать высокую равномерность нагрева (индукционные термостаты), нагревать непроводящие материалы, получать высокие энергетические показатели процесса (КПД и коэффициент мощности).

К специальным можно отнести устройства для сварки и пайки [2, 3, 13], для литья в электромагнитном кристаллизаторе, индукционные плазмотроны и т.п.

По частоте индукционные установки делятся на три группы:

- установки промышленной частоты, используемые для низкотемпературного нагрева изделий и обогрева технологического оборудования [2, 8, 14];

- установки средней частоты (150-10 ООО Гц), применяемые для нагрева под пластическую деформацию, поверхностную и объемную термообработку и т.п. [2, 9, 15];

- установки радиочастоты, применяющие для закалки изделий небольших размеров, пайки, сварки и т. д.

Частоты, на которых работают эти установки, составляют 66,440, реже 1760 кГц [2, 15, 16]. С точки зрения описания процесса нагрева частота является величиной относительной, однако для каждого частотного диапазона имеются свои особенности конструкции и режима работы.

Геометрическая форма всей индукционной системы определяется геометрией нагреваемых тел, индуцирующих обмоток и их взаимным расположением.

В большинстве случаев как для сквозного, так и для поверхностного нагрева используются охватывающие индукторы (цилиндрические или овальные), имеющие высокие энергетические показатели. Второй базовой конструкцией является плоские индукторы, которые можно отнести к трем основным типам: плоская спираль, прямоугольная рамка, плоскость которой параллельна нагреваемой поверхности, и рамка, расположенная перпендикулярно ей [2, 20].

Однако при одной и той же конфигурации индукционной системы возможны различные варианты исполнения обмотки индуктора. Она может быть одно- и многовитковой, а иногда и многослойной. Исполнение обмотки может существенно влиять на качество нагрева и технико-экономические показатели работы устройства.

По режиму работы индукционные устройства принято делить на непрерывные, полунепрерывные (методические) и периодические. В первом случае нагреваемое изделие перемещается через зону нагрева не