При моделировании тела человека считаем, что каждый элемент модели туловища представлен в виде набора эллиптических цилиндров, образующих обозначенные выше участки (слои). Для дальнейших исследований необходимо определить оптимальное распределение слоёв туловища на участках с различным радиусом кривизны.

Согласно работам [33, 35], долевые отношения толщины слоёв можно выразить соотношением:

(0,6+0,29+0,09+0,02)R = R, (2.46)

где R - радиус эквивалентного эллиптическому цилиндру обычного цилиндра с сечением в виде круга; 60 % - толщина слоя «ядро»; 29 % - толщина слоя «мышцы»; 9 % - толщина слоя «жир»; 2 % - толщина слоя «кожа».

Для дальнейшего исследования необходимо определить геометрические и теплофизические характеристики туловища человека на каждом его участке, в результате чего возникает новое геометрическое описание строения сечения туловища, которое представлено на рисунке 2.17.

Для формирования исходных данных математической модели далее необходимо рассматривать концепцию внутреннего строения туловища человека, которая наиболее близко отражает действительную форму. Чтобы наиболее объективно представить действительную картину, отражающую процессы теплопереноса в организме человека, целесообразно детально рассмотреть концепции, рассмотренные в работах [32, 33].

Рис. 2.17. Структура модели туловища человека по слоям

Актуальность рассмотрения внутренних теплотворных слоёв тела человека была подтверждена в результате исследований возможных подходов, обусловленных представленными концепциями. В последнее время всё больше авторов акцентирует внимание на уточнении описаний различных процессов, связанных с функционированием организма человека, с точки зрения учёта осенесимметричности его строения [35, 38]. Однако позиция, отражающая способ пропорционального распределения внутренних слоёв туловища человека, более близко соответствует классическому подходу к решению данного вопроса и позволяет упростить математическую постановку задачи.

Специфика новой математической модели заключается в том, что она позволит не только рассчитывать оптимальное соотношение теплоизоляционных слоёв одежды с учётом теплофизических характеристик тела человека и применяемых материалов, а также общей интенсивности и локализации дополнительных источников тепла в системе, но и позволит прогнозировать тепловое состояние системы «Ч-О-С» внутри слоёв системы в самом широком спектре тепловых потоков, используя детализированную модель внутреннего строения тела человека и уточнённую модель геометрического покрытия человека слоями защитного костюма.

Разработка массива исходных данных для имитационной математической модели системы теплообмена «человек - одежда - среда»

Основные теплофизические характеристики тела человека, которые используются при расчетах основных параметров системы, представлены в таблицах 2.5-2.7. К ним относятся теплоёмкость, коэффициент теплопроводности и параметры частей и элементов системы, теплопродукция, начальные температуры составляющих систему. Все эти данные могут быть полностью приняты для всех частей тела человека, кроме тулови- ща [35].

Таблица 2.5

Теплоёмкость частей и элементов системы

Слой тканей тела	Удельная теплоёмкость, кДж/(кгС)	Плотность, кг/м3	Теплоёмкость частей системы, кДж/С
			голова	туловище	руки	кисти	ноги	стопы
Ядро	3,76	1050	9,38	39,97	5,91	0,58	17,64	0,96
Мышцы	3,76	1050	1,34	74,68	12,62	0,26	34,20	0,30
Жировой слой	2,50	850	0,94	17,73	2,48	0,38	8,72	0,57
Кожа	3,76	1000	1,04	5,07	1,78	0,72	4,42	0,89

Таблица 2.6 Эквивалентный коэффициент теплопроводности частей и элементов системы

Слой тканей тела	Коэффициент тепло-проводности, Вт/мС	Эквивалентный коэффициент теплопроводности частей системы, Вт/мС
		голова	туловище	руки	кисти	ноги	стопы
Ядро	0,4186	0,4186	0,4186	0,4186	0,4186	0,4186	0,4186
Мышцы	0,4186	0,3760	0,3959	0,4005	0,3619	0,3966	0,3579
Жировой слой	0,3348	0,3348	0,3348	0,3348	0,3348	0,3348	0,3348
Кожа	0,3348	0,0837	0,0807	0,0775	0,0828	0,1246	0,1198

Таблица 2.7 Коэффициент теплопередачи частей и элементов системы

Слой тканей тела	Коэффициент теплопередачи частей системы, Вт/С
	голова	туловище	руки	кисти	ноги	стопы
Ядро	1,09	4,15	3,14	6,92	6,18	9,42
Мышцы	12,10	10,58	8,30	14,99	15,67	21,69
Жировой слой	13,91	34,29	26,84	12,59	46,85	18,57
Кожа	4,87	27,41	10,31	3,67	37,04	8,07

Учитывая принятую концепцию уточнённой геометрической модели туловища человека, состоящей из трёхуровневых зон [38], рассмотрим теплотворные органы уже с точки зрения расположения их в структуре новой геометрической модели объекта (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Структура модели туловища человека с внутренним расположением теплотворных органов

Согласно работе [39], реальное расположение органов в туловище по высоте h можно выразить соотношением:

. (2.47)

где h - высота всего туловища человека в представленной модели; 27 % - высота нижнего сектора; 11 % - высота сектора, представляющего почки (часть печени тоже входит в этот цилиндр по всей высоте); 30 % - высота сектора, в котором расположена печень; 16 % - высота сектора, в котором непосредственно присутствует сердце; 16 % - высота верхнего сектора грудной клетки.

Учитывая принятое представление туловища человека как эллиптического цилиндра со смещённым центром симметрии, для детального его исследования рационально рассматривать отдельные сегменты. Практически в каждом таком сегменте присутствует часть или целый орган, характеризующийся собственным уровнем теплопродукции. По данным [36], у каждого органа разные уровни основного обмена. Органы также оказывают частичное влияние на соседние верхние и нижние слои, поэтому высота представляющих их цилиндров увеличена.

Однако значения теплопродукции органов вне участка расположения органа должны быть пропорционально уменьшены. На рисунке 2.19 полученные сегменты пронумерованы (1, 2…5).

Руководствуясь данными о распределении значений основного обмена по участкам теплотворных органов для людей разных половозрастных групп, средневзвешенное значение уровня основного обмена для группы мужчин от 25 до 45 лет составит 42,636 Вт/м².

Все секторы туловища содержат мышцы позвоночного столба, однако остальные органы только оказывают тепловое воздействие и могут быть представлены в рассматриваемом секторе как объект с неполной теплопродукцией. Данный сектор имеет ослабленный источник тепла, пропорционально расстоянию до места непосредственного расположения органа (определять затухание теплопродукции можно согласно с коэффициентом теплопроводности мышц ядра относительно расстояния до органа 0,4 Вт/(мК)).

Таким образом, зная все параметры внутреннего строения модели второго уровня и теплофизические характеристики внутренних слоёв тела человека, можно приступать к составлению уравнений теплообмена всей системы для математического моделирования с высокой степенью детализации для широкого спектра задач и диапазона тепловых потоков.

Рис. 2.19. Посегментное представление модели туловища человека

Имитационная математическая модель системы теплообмена «человек - одежда - среда»

С точки зрения теплофизики, организм человека можно рассматривать как термостабильную систему, в которой механизм терморегуляции поддерживает равновесие между теплообразованием и теплоотдачей.

Математическая модель должна описывать процесс теплопередачи между глубинными слоями тела и окружающей средой, учитывая теплофизические характеристики тела и одежды, тепло, генерируемое в тканях тела и выделяемое или поглощаемое системами жизнеобеспечения, температуры пододёжного пространства, условия окружающей среды.

Полная разработка точной модели имитации теплового режима человека средствами математического моделирования является задачей чрезвычайно сложной, поэтому на данном этапе можно говорить об упрощённой модели на основе существенной схематизации процесса теплового состояния человека, базируясь на современных представлениях физиологов о тепловых процессах, протекающих в организме.

В нашем случае математической моделью процесса стационарного теплообмена в системе «человек - одежда - окружающая среда» является уравнение теплопроводности с граничными условиями, зависящими от конкретной ситуации. В теории рассматривают три вида граничных условий [33]. В двумерном случае уравнение стационарной теплопроводности в декартовой системе координат имеет вид:

, (2.48)

где T=T(x, y) - температура в точке с координатами (x, y); - коэффициент теплопроводности; - удельная мощность внутреннего источника теплоты, Вт/м³.

Далее считается, что _x=_y=, причём - кусочно-постоянная функция.

Уравнение (3) представлено в инвариантной форме:

. (2.49)

Для последующего решения задачи рассмотрим дискретную модель на плоскости.

Далее построена дискретная модель теплообмена системы методом Бубнова-Галеркина с использованием конечно-элементного базиса. В результате получена

. (2.50)

Решение задачи определено в конечно-мерном пространстве непрерывных функций с базисом {_i(x_i, y_i)} с конечным носителем, причём базисные функции построены на треугольной конечно-элементной сетке (рис. 2.20, 2.21) области D, выполняя следующие условия:

1, если j=i;

(x_j, y_j) = (2.51)

0, если ji.

При этом на границе подобласти Г_i:

(2.52)

Рис. 2.20. Конечно-элементная подобласть D_i (область вокруг i-го узла)

Ряд математических преобразований позволяет получить следующую систему алгебраических уравнений:

. (2.53)

Учитывая свойства функций системы, преобразуем её к виду:

, (2.54)

где ^(k) - коэффициент теплопроводности k-го элемента; - значение в узле j,

;

. (2.55)

Рис. 2.21. Схема граничных элементов для определения коэффициентов потока тепла

; (2.56)

; (2.57)

, (2.58)

где S^(k) - площадь k-го элемента.

Таким образом, составив систему из n линейных уравнений с n неизвестными и решив её, получены значения всех температур в узлах треугольной конечно-элементной сетки.

Адекватность математической модели реальной системе теплообмена была оценена с помощью сравнения аналитического решения и результатов запрограммированного набора действующих расчётных методик [20, 28, 34, 35, 41] в процессе имитационного эксперимента.

Таким образом, данные математического моделирования могут быть в дальнейшем использованы для регулярных имитационных расчётов при проектировании специальной одежды.

Таблица 2.8

Сравнение результатов математического моделирования и экспериментально полученных данных (на уровне расположения сердца)

Номер точки измерения	Математический расчёт, С	Эксперимен-тальный расчёт, С	Размах варьирования, С	Погрешность, %
1	32,5	32,7	0,23	0,70
4	32,1	32,4	0,25	0,77
6	31,5	29,6	1,91	6,45
7	32,5	32,2	0,33	1,02
9	31,5	31,7	0,23	0,72
11	30,8	30,4	0,37	1,21
13	31,2	31,1	0,15	0,48
15	31,8	31,8	0	0
среднее	31,73	31,5	0,43	1,42
Дисперсия	0,32

Разработан универсальный инструментарий для решения задач расчёта теплопередачи в слоях теплозащитной и термозащитной одежды, в том числе с применением активных нагревающих или охлаждающих элементов.



2.3 Об особенностях процесса проектирования одежды для рабочих, занятых в сельском хозяйстве в условиях влажных субтропиков

Деятельность рабочих, занятых в сельском хозяйстве в условиях влажных субтропиков, напрямую связана с окружающей средой. Факторы среды, негативно влияющие на человека, могут привести не только к снижению работоспособности, но и к тяжёлым расстройствам здоровья. С целью повышения трудоспособности и для обеспечения нормального функционального состояния человека, работающего в сложных производственных условиях, необходима разработка специальной одежды, которая согласно ГОСТ 12.4.011-87 [42] должна защищать работающего от неблагоприятных воздействий климатических и производственных факторов, удовлетворять гигиеническим требованиям и отличаться высокой надёжностью. Таким образом, возникает система взаимосвязи нескольких компонентов, характеризующих процесс производственной деятельности, представленная на рисунке 2.22.

Рис. 2.22. Система взаимосвязи компонентов системы «человек - спецодежда - окружающая среда»

Как видно из рисунка 2.21, все факторы системы тесно взаимосвязаны и оказывают непосредственное влияние друг на друга, поэтому разработка спецодежды для рабочих, занятых в сельском хозяйстве в условиях жаркого климата влажных субтропиков, без полного учёта условий труда невозможна. Для исследования специфики работы необходимо рассмотреть каждый из её компонентов: климатические и производственные условия труда рабочих, особенности функционирования организма человека в данных условиях, анализ топографии износа спецодежды и анализ разработанной и используемой спецодежды рабочих сельского хозяйства в данном климате.

Климатические условия труда рабочих занятых в сельском хозяйстве в условиях влажных субтропиков

Работы, выполняемые на открытом воздухе в жаркий период года, сопряжены с неблагоприятными условиями труда, которые выражаются в отрицательном влиянии окружающей среды на организм человека. От характера и степени воздействия внешней среды на работника зависит его здоровье и трудоспособность. При этом под внешней средой следует понимать весь сложный комплекс природных и производственных факторов.

В отличие от производственных помещений, в условиях пребывания людей на открытом воздухе отсутствует возможность оградить их от вредного воздействия природных факторов. Единственным выходом является использование спецодежды, посредством которой может быть смягчено негативное влияние дискомфортного нагревающего климата.

При сельхозработах в летнее время человек наиболее интенсивно подвергается воздействию солнечной радиации.

Солнце является источником энергии, тепла и света, то есть источником электромагнитных, волновых излучений. Все виды солнечного излучения, достигающие поверхности Земли (инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения), имеют одинаковую физическую природу, но отличаются длиной волны. Именно это различие обусловливает особенности биологического действия каждой составляющей солнечного потока.

Кратковременное воздействие солнечной энергии на организм человека имеет положительный характер, длительное воздействие инфракрасного и ультрафиолетового излучения - отрицательный. Кроме того, инфракрасное излучение, неравномерно нагревая земную поверхность, обусловливает появление движения воздуха, испарения воды, влияет на формирование погодных условий, т.е. определяет климат в целом, а, следовательно, непосредственно влияет и на терморегуляцию в организме человека.

Таким образом, к производственным факторам при выполнении сельскохозяйственных работ можно отнести следующие, оказывающие наиболее заметное воздействие на человека:

а) солнечную радиацию;

б) влажность воздуха;

в) движение воздуха;

г) запылённость воздуха;

д) орудия труда.

Инфракрасное (тепловое) излучение - составляет большую часть солнечного электромагнитного спектра (не мене 50 %). Поверхности Земли достигает инфракрасное излучение длиной волны 760ч3000 нм, более длинноволновое - задерживается атмосферой.

Под действием инфракрасного излучения происходит нагрев земной поверхности, от которой нагревается и атмосферный воздух.

В зависимости от длины волны изменяется проникающая способность инфракрасного излучения. Наибольшую проникающую способность имеет коротковолновое инфракрасное излучение (760ч1400 нм), которое проникает в ткани человека на глубину в несколько сантиметров. Инфракрасные лучи длинноволнового диапазона задерживаются в поверхностных слоях кожи.

Воздействие инфракрасного излучения может быть общим и локальным. При длинноволновом излучении повышается температура поверхности тела, а при коротковолновом - изменяется температура лёгких, головного мозга, почек и некоторых других органов человека. Значительное изменение общей температуры тела (1,5ч2,0 єС) происходит при облучении инфракрасными лучами большой интенсивности.

Негативное влияние инфракрасного излучения на организм связано с возможным перегреванием вплоть до теплового или солнечного удара; изменения со стороны сердечно-сосудистой системы в виде тахикардии, повышения систолического и снижения диастолического артериального давления. Также инфракрасное излучение способствует развитию катаракты.

Ультрафиолетовое излучение. Наиболее биологически активна ультрафиолетовая часть солнечного спектра, которая у поверхности Земли представлена потоком волн в диапазоне от 290 до 400 нм.

По характеру преимущественно биологического воздействия ультрафиолетовую часть спектра принято условно делить на три области - длинноволновую A, средневолновую B и коротковолновую C.

Различают биогенное (полезное, защитное) действие ультрафиолетовой радиации и абиогенное (вредное) действие (мутагенное, аллергенное, канцерогенное действие).

Степень влияния ультрафиолетовой радиации на организм зависит, прежде всего, от интенсивности ультрафиолетового излучения и площади облучаемой им кожи.

Длительное воздействие ультрафиолетового излучения Солнца в дозах, значительно превышающих пороговую дозу, вызывает ожоги, дерматит, альтерацию и деградацию коллагена, развитие эрозий, язв, доброкачественных, а затем и злокачественных опухолей эпидермоидного или мезенхимного генеза.

Наиболее подвержены вредному воздействию ультрафиолетовых лучей открытые участки тела (голова, шея, кисти, предплечья, у жен- щин - ноги), особенно у людей со светлой кожей.

Влажность воздуха - имеет большое значение, поскольку влияет на теплообмен организма с окружающей средой. Для оценки влияния этого фактора наиболее важное значение имеет относительная влажность воздуха, которая показывает процент насыщения воздуха водяными парами в момент наблюдения.

Оптимальной величиной относительной влажности воздуха считается 40ч60 %, допустимой - 30ч70 %.

При сочетании высокой температуры воздуха и высокой относительной влажности (более 90 %) испарение пота практически исключено, пот выделяется, но не испаряется, поверхность кожи не охлаждается, наступает перегревание организма.

Движение воздуха - является метеорологическим фактором, который действует в комплексе с температурой и влажностью воздуха на тепловой обмен человека и может изменить тепловой баланс. Его влияние выражается в увеличении теплопотерь путём конвекции и испарения.

При высокой температуре воздуха его умеренная подвижность способствует охлаждению кожи, то есть удалению тепла путём испарения пота.

Ветер большой скорости при высокой температуре воздуха усиливает нагревающее действие среды. А при неподвижном воздухе его слой, непосредственно прилегающий к поверхности тела, быстро насыщается влагой и препятствует дальнейшему интенсивному испарению пота.

В летнее время наиболее благоприятная скорость ветра 1ч4 м/с. Раздражающее действие ветра проявляется при скорости выше 6ч7 м/с [43].

Запылённость воздуха, увеличивающаяся при ветре, способствует загрязнению поверхности тела, что понижает потоотделение вследствие закупоривания выводных протоков потовых желёз. Одновременно нарушается работа сальных желёз, кожа становится сухой, менее теплопроводной, что обусловливает дополнительную нагрузку на аппарат терморегуляции [44].

Орудия труда, применяемые при выполнении сельскохозяйственных работ.

В настоящей работе рассматриваются условия Черноморского побережья Краснодарского края как наиболее развитого региона виноградарства и чаеводства.

Для определения потребности рабочих этой отрасли сельского хозяйства в спецодежде необходимо выявить степень проявления вредных производственных факторов выбранной климатической зоны.

Климат Краснодарского края по большей части умеренно-конти-нентальный, а на Черноморском побережье - субтропический средиземноморского типа.

Одной из климатических особенностей Краснодарского края является обилие солнечного света с большим содержанием в нём ультрафиолетового излучения. 2200ч2400 часов в году стоит солнечная погода, за тёплый период практически не случается пасмурных дней. Летом дневная температура может составлять плюс 22ч32 єС. Средняя температура воздуха: в мае - плюс 20 єС, в июне - плюс 25 єС, в июле - плюс 27 єС, в августе - плюс 30-35 єС, сентябрь - плюс 23 єС. Температура поверхностей в ясную погоду может нагреваться до плюс 70 єС. В летние месяцы суточная температура на глубине 20 см может достигать 35 єС, а на поверхности - до 47 єС.

Степень вредности воздействия ультрафиолета зависит от длительности пребывания человека на открытой местности в солнечную погоду и области излучения.

Максимальное излучение приходится на полуденные часы (с 11 до 15), когда поступает 40 % от суточной дозы ультрафиолета.

Относительная влажность в летний период колеблется в пределах 67ч90 %.

Интенсивность ветра на Черноморском побережье изменяется в зависимости от времени года, которая увеличивается в осеннее-зимний период. Летом приходящий воздух активно преобразуется под воздействием сильно прогретой земной поверхности, и на территории района формируется свой собственный воздух, близкий к тропическому типу. На много недель устанавливается антициклон с характерными для него чертами погоды: преобладают жаркие дни со слабыми ветрами, малой облачностью и сильным прогреванием приземных слоёв воздуха, почти совсем без дождей [45].

Характеристики климата Черноморского побережья Краснодарского края представлены в соответствии с рисунком 2.23.

Рис. 2.23. Анализ климатических условий Черноморского побережья Краснодарского края

Сравнительная характеристика параметров комфортного и существующего микроклимата производственной среды рабочих представлена в таблице 2.9.

Таблица 2.9

Сравнительная характеристика параметров комфортного и существующего микроклимата производственной среды

Наименование параметра	Рекомендуемые комфортные значения	Существующие значения
Влажность воздуха, %	40-60	45-98
Температура воздуха, 0С	25-28	до 35
Влагопотери, г/ч	150-190	324

Для формулирования основных требований к одежде для защиты от повышенных температур и определения конструктивных характеристик этой одежды необходимо изучить климатические параметры среды под слоем одежды в зависимости от условий внешней среды и конструктивных параметров применяемой спецодежды.

Нами были проведены исследования по определению климатических параметров пододёжного пространства рабочих в условиях выполнения сельскохозяйственных работ.

Для исследования выбраны следующие метеорологические параметры окружающей среды: температура воздуха, єС, влажность воздуха, %, плотность воздуха или атмосферное давление, кг/м³, скорость движения воздуха, м/с, точка росы, єС. Значения параметров устанавливались в ходе стандартных измерений по данным метеостанций ГУ «Специализированный центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Чёрного и Азовского морей» (ГУ СЦГМС ЧАМ). Учитывая, что производственная деятельность рабочих данного региона осуществляется на высоте 500-600 м над уровнем моря, а значения указанных параметров коррелируют со значениями высоты, была выбрана метеостанция на высоте 560 м над уровнем моря и регистрировались необходимые показания измерений именно на этой высоте.

Состояние пододёжного микроклимата рабочих характеризуют: температура, влажность воздуха и скорость движения воздуха в пододёжном пространстве. Для измерения указанных параметров использован прибор контроля параметров воздушной среды - метеометр «МЭС 200» ЯВША 416311.002 рэ (зав. № 081, свидетельство о поверке № 0030075 от 02.10.2006 г.). Схема измерения основных параметров представлена на рисунке 2.24.

Рис. 2.24. Схема измерения параметров пододёжного пространства:

1 - рабочий в полукомбинезоне; 2 - метеометр; 3 - щуп метеометра с датчиками

Измерения проводились в наиболее трудоёмкие и жаркие месяцы года, а именно период с июня по август. Время испытаний установлено в соответствии с рабочим временем и для регистрации показаний выбраны 6.00, 12.00, 15.00 и 18.00 ч, что, кроме того, соответствует стандартному времени регистрации параметров метеостанциями ГУ СЦГМС ЧАМ.

В эксперименте ежедневно принимали участие 10 человек (стандартное количество работников в бригаде).

Для сравнительной характеристики были использованы средние значения параметров пододёжного пространства и средние значения параметров окружающей среды. Данные сравнительного анализа представлены на рисунках 2.25 и 2.26 в виде графических диаграмм. На диаграммах пунктиром показаны границы комфортных значений исследуемых параметров.

Видно, что средние значения температуры пододёжного пространства с 12.00 до 18.00, т.е. практически весь рабочий день, превышают верхние границы комфортных значений. Средние значения влажности пододёжного пространства выше, чем влажность окружающей среды, практически постоянно.

Рис. 2.25. Сравнение температуры окружающего воздуха и пододёжного пространства (?t_ср = 6 єС)

Рис. 2.26. Сравнение влажности окружающего воздуха и пододёжного пространства (?W_ср = 20 %)

Результаты проведённых измерений при разработке защитной одежды подтверждают необходимость улучшения микроклимата поодёжного пространства.

Таким образом, одним из важнейших видов воздействия температуры, влажности и подвижности воздуха на организм является комплексное влияние этих физических факторов на терморегуляцию в организме человека. Уже при температуре воздуха выше 25 єС у человека, одетого в любую одежду, возникает напряжение процессов терморегуляции, это приводит к снижению окислительных процессов в организме (химическая терморегуляция) и к повышению отдачи тепла с поверхности тела (физическая терморегуляция) излучением, теплопроведением, испарением влаги (пота) [44]. Длительное нахождение человека в таком состоянии может привести к снижению работоспособности и возникновению острой или хронической тепловой патологии. Если же при этом человек подвергается интенсивному воздействию солнечной радиации, то температура кожи открытых участков тела значительно повышается (на 6ч9 єС). При обнажении большой поверхности тела возникает опасность повышения температуры тела, поэтому применение в этих условиях лёгкой открытой одежды не принесёт облегчения [45].

Анализ воздействия опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ) на сельскохозяйственных рабочих

Для обеспечения должного качества спецодежды необходимо на этапе её проектирования учесть не только характер воздействия ОВПФ, но также определить все возможные участки поверхности тела работника, наиболее подверженные этому воздействию.

Участки вредного воздействия могут быть определены при рассмотрении условий труда и трудовых движений.

Анализ условий труда работников виноградарских хозяйств

В нашем случае к условиям труда можно отнести расположение террас виноградника и организацию пространства внутри неё, то есть характерное размещение рядов и виноградных кустов. В зависимости от расположения террасы, рядов виноградника, а также их высоты изменяется степень воздействия солнечного излучения.

Учитывая, что виноградные террасы располагают преимущественно на южных склонах, а направление рядов ориентируют в зависимости от крутизны склона, представим один из вариантов возможного воздействия солнечного излучения на рабочего на рисунке 2.27.

Рекомендуемое расстояние между рядами 2,25ч2,50 м, а между растениями в ряду в зависимости от силы роста: слаборослые - 1,25 м, среднерослые - 1,5 м, сильнорослые - 1,75ч2,0 м. При этом достигается лучшая проходимость солнечного света, а также равномерное его распределение между кустами [46].

Очевидно, что работник, занятый сбором винограда или «ремонтом» виноградника в начале рабочего дня (при низком расположении солнца), частично может находиться в тени (тень падает на нижнюю часть тела работника), но при расположении Солнца в «зените» (для данной широты высота стояния Солнца составляет 70є) тень от насаждений минимальна либо полностью отсутствует.

Рис. 2.27. Воздействие солнечного излучения на рабочего при продольном расположении рядов (с уклоном террасы до 5є)

В любом случае работник не защищён от повышенной температуры и вредного воздействия ультрафиолетового излучения, так как тень от кустов очень разрежена и практически не оказывает никакого влияния на тепловое состояние.

Поэтому в данном случае необходимо выявить участки тела, на которые воздействуют вредные факторы, с целью уменьшения степени воздействия в проектируемой одежде. Для этого целесообразно определить наиболее характерные трудовые движения и положение работника относительно солнечного излучения.

Исследование характера трудовых движений рабочих на виноградниках

Определённые характерные движения находятся в плотной взаимосвязи со спецификой выполняемых работ. При этом, как уже отмечалось выше, наиболее рационально рассматривать виды работ, производимые в наиболее тёплый период года. Следовательно, основное внимание следует обратить на выполнение зелёных операций и уборку урожая.

Опираясь на данные о специфике производимых работ можно установить наиболее типичные движения работников. Для этого в качестве источника информации выбраны фотоматериалы из Интернета, посвящённые виноградарству.

Для проведения анализа движений работника виноградника фотографии импортированы в программу Corel Draw 12, в которой методом наложения на изображение получены схемы основных движений рабочего. Выбранные кадры с наложенными схемами движений представлены на рисунках 2.28 и 2.29.

Рис. 2.28. Схемы поз, характеризующие выполняемые работы на винограднике

Рис. 2.29. Схемы поз, характеризующие выполняемые работы на винограднике

В процессе анализа всех возможных вариантов поз работника оказалось, что рабочие движения имеют очень небольшой диапазон и различаются в основном изменениями положения корпуса, рук и ног. При этом каждая поза может включать несколько вариантов положения рук, в связи с чем характер изменения позы с достаточной точностью можно оценить с помощью следующих критериев:

- отклонение корпуса от вертикальной оси ();

- угол между туловищем и бедром ();

- угол между бедром и голенью ().

Для каждого вида работы характерно выполнение нескольких движений, характеризующихся несколько отличающимися параметрами. Поэтому для рассмотрения выбраны четыре обобщённые позы с усреднёнными параметрами.

Выбранные позы и их описание представлены в виде таблицы 2.10.



Таблица 2.10

Позы, характеризующие основные движения человека при выполнении работ на винограднике

Номер позы	Схема позы	Характеристика позы	Описание положения
1		Положение - стоя	Корпус и ноги расположены вертикально, руки в любом положении, в зависимости от вида выполняемых операций
2		Положение - стоя с наклоном	Корпус наклонён под углом от 30 до 90° к вертикальной оси, ноги согнуты в коленях под углом от 150 до 170°, руки в любом положении, в зависимости от вида выполняемых операций
3		Положение - сидя на корточках	Корпус наклонён под углом от 10 до 50° к вертикальной оси, ноги согнуты в коленях под углом от 10 до 40°, руки в любом положении, в зависимости от вида выполняемых операций
4		Положение - стоя на коленях	Корпус наклонён под углом от 10 до 70° к вертикальной оси, ноги согнуты в коленях под углом от 10 до 90°, руки в любом положении, в зависимости от вида выполняемых операций

На основании представленных схем очевидно, что наиболее подвержены ОВПФ участки одежды рабочего, представленные в соответствии с рисунком 2.30 (красный цвет - воздействие солнечной радиации; зелёный - пылевое воздействие, механическое воздействие, связанное с орудиями труда и элементами виноградника). При этом воздействие повышенной влажности и ветра имеет общий характер и на схеме не показано, а воздействие пыли заключается в возможном попадании на нижние части ног с поверхности земли и на руки непосредственно с куста.

Рис. 2.30. Участки тела работника, наиболее подверженные ОВПФ

Видно, что в большей степени инсоляции будут подвержены верхние участки плеч и спины, наружные стороны рук и бёдер, а также шея, уши, лицо, поверхность головы. Это связано с тем, что при работе на открытом пространстве наибольшему облучению солнечной радиацией подвергаются наиболее выступающие участки и участки тела, расположенные к солнечным лучам под прямым или близким к прямому углом.

В максимальной степени данная взаимосвязь проявляется при повышенной активности Солнца (с 11 до 15 часов), в остальные промежутки времени солнечная радиация имеет рассеянный характер и не оказывает отрицательного влияния на тепловой баланс человека. В связи с этим интервал работы на винограднике должен быть строго регламентирован. Работы необходимо выполнять преимущественно после схода росы и до обеда, а также в вечерние часы.

Таким образом, в результате проведённого анализа можно заключить, что на состояние работника виноградника и его трудоспособность влияют следующие вредные производственные факторы:

- инсоляция;

- влажность воздуха, роса в утренние часы;

- орудия труда и элементы виноградника.

При этом необходимо рассматривать не только прямое воздействие вредных производственных факторов на здоровье человека, но и износ одежды. Так как по мере её истирания в процессе эксплуатации она теряет свои первоначальные характеристики, а следовательно, и защитные функции.

Поэтому проектируемая одежда должна обладать рядом защитных свойств:

- от солнечной радиации (ультрафиолетовое излучение);

- повышенных температур (инфракрасное излучение);

- механических воздействий (проколов, порезов и истирания);

- влаги.

Формирование требований к специальной одежде для защиты от повышенных температур и влажности окружающей среды при работе на чайных плантациях

Изучение условий труда рабочих, занятых в сельском или форелевом хозяйствах в условиях влажных субтропиков позволило установить, что помимо работы на открытом воздухе под действием солнечной радиации, в течение рабочего дня работники трудятся в мокрой рабочей одежде и мокрой обуви, что особенно опасно в субтропическом климате с повышенным полуденным стоянием Солнца. По данным Н.Н. Калитина, увлажнённые ткани пропускают сквозь себя солнечной радиации значительно больше, чем сухие, причём это увеличение для некоторых видов тканей может достигать 100 % и более. Особенно сильно увеличивается пропускание при смачивании для плотных тканей. Это отрицательно сказывается на тепловом режиме человека.

Наиболее весомыми факторами производственной среды являются повышенные влажность и температура воздуха и проникновение в пододёжное пространство через места раздиров брюк внешней влаги. Именно влияние этих факторов на организм человека необходимо смягчить с помощью одежды. Наравне с этим нужно обеспечить отведение внутренней влаги из пододёжного пространства в окружающую среду.

Во время сбора урожая сельскохозяйственные рабочие находятся в непосредственном контакте с кустами и низкорослыми деревьями, высота которых составляет 90-120 см. Листья, например, чайных кустов обильно покрыты росой, которая, стекая, попадает на одежду рабочих. Для защиты тела от обильной влаги в течение трудового дня рабочие вынуждены работать в резиновых брюках и сапогах, к примеру, предназначенных для рыболовов. Существенным недостатком применяемой одежды является отсутствие воздухо- и парообмена пододёжного пространства с окружающей средой, связанного с низкими гигиеническими свойствами применяемых материалов, что особенно опасно в летние месяцы, когда температура воздуха достигает 33-35 °С. К тому же кусты оплетены колючками, которые за непродолжительное рабочее время буквально раздирают нижние части тонких резиновых брюк, образуя незащищённые места для проникновения росы. Капли воды, попадая в места раздира, скатываются по внутренней поверхности одежды и проникают в обувь рабочих.

Другой путь попадания влаги на одежду связан с доставкой мешков с собранным урожаем до места хранения. В процессе наполнения мешка мокрыми листьями, мешок находится непосредственно на кустах, впитывая в себя влагу. Сборщики чайного листа каждые 45 минут переносят наполненные мешки на спине до места хранения. Накопленная мешком влага стекает по поверхности спины и поясницы, увлажняя детали одежды и обувь.

Топография намокания рабочей одежды наглядно представлена на рисунке 2.31.

По опросам рабочих, все виды обуви, кроме сапог, не предохраняют от попадания внутрь листков с деревьев и кустов, сыпучих и пылевидных минеральных удобрений, ядохимикатов. В первый же час работы все виды обуви, кроме резиновых сапог, промокают. Но, как отмечают сами работники, через 1,5-2 часа труда в резиновых сапогах появляются потливость и ощущения, связанные с нарушением оптимального теплообмена и увлажнением поверхности стопы.

Рис. 2.31. Топография намокания рабочей одежды

Отмечено, что длительное использование резиновой обуви часто вызывает простуду, ревматические заболевания, мозоли и грибковые заболевания.

Таким образом, можно сделать вывод, что на труд рабочих, занятых в сельском хозяйстве в условиях влажных субтропиков влияют климатические и производственные факторы, такие как повышенные температура и влажность воздуха, солнечная радиация, роса и внешняя влага, маломеханизированный или ручной труд, выполнение работ на «ногах» в вынужденном полусогнутом состоянии, проникновение под одежду насекомых, змей и частиц удобрений.

Защитные свойства влагозащитной одежды определяются защитными свойствами материалов и соответствием конструкции спецодежды топографии воздействия ВПФ. Наиболее весомыми показателями свойств из группы защитных являются: защитные свойства материалов, сопротивление разрыву и проникновению насекомых.

Следующая не менее важная группа свойств специальной одежды - гигиенические, оказывающие непосредственное влияние на эффективность деятельности человека. Оптимальные гигиенические условия трудовой деятельности человека обеспечиваются благодаря свойствам изделия, осуществляющим отведение или сохранение тепла, отведение влаги и других продуктов метаболизма из пододёжного пространства. В свою очередь, свойства спецодежды, обеспечивающие эффективность отведения пододёжной влаги, определяются сорбционными свойствами материалов.

Конструкция спецодежды для сельскохозяйственных рабочих в условиях влажных субтропиков должна способствовать удалению водяных паров из пододёжного пространства. Следует предусматривать в спецодежде конструктивные элементы для обеспечения естественной вентиляции и проектировать свободную форму одежды. Имеют значение также свойства, обеспечивающие защиту пододёжного пространства от проникновения загрязняющих частиц, свойства проницаемости.

Наряду с описанными выше свойствами для специальной одежды важнейшее значение имеют психофизиологические, определяемые массой изделия и цветом, антропометрические, характеризующиеся соответствием костюма форме тела человека и удобством в эксплуатации; эстетические, которые отвечают требованиям художественной выразительности, стилевого единства со средой. И, наконец, технико-экономические свойства, определяющие технологичность и экономические показатели изготовления специальной одежды.

В структуре качества защитного костюма вклад различных свойств в комплексную оценку неравнозначен. Чтобы установить, какие свойства спецодежды при проектировании швейного изделия следует принимать во внимание в первую очередь, необходимо среди них выделить наиболее значимые.

Для этого нами были определены весовые коэффициенты свойств специальной одежды для работников сельского хозяйства в условиях влажных субтропиков с использованием экспертного метода оценки. Была сформирована группа экспертов, которым предлагалось определить ранги и весомости свойств специальной одежды для рабочих, занятых в сельском хозяйстве в условиях влажных субтропиков с учётом влияния вредных производственных факторов.

Результаты опроса экспертов использовали затем для расчёта коэффициентов значимости отдельных характеристик и степени согласованности ранговых оценок.

Так как < , гипотеза о наличии согласия мнения специалистов оказалась состоятельной при высоком значении коэффициента конкордации W = 0,943. Так как величина W отличается от единицы, можно сказать, что исследователи неодинаково ранжируют факторы. Средняя диаграмма рангов для рассмотренных факторов представлена на рисун- ке 2.32.

Анализ результатов ранжирования показал, что эксперты выделили как наиболее важные для спецодежды данного типа следующие факторы: на первом месте - водоупорность, на втором - водопроницаемость, на третьем - паропроницаемость, на четвёртом - усилие при раздирании, на пятом - воздухопроницаемость, на шестом - гигроскопичность, на седьмом - жёсткость, а далее самые низкие ранги - усилие при разрыве, устойчивость к действию светопогоды, загрязняемость, толщина, устойчивость к действию пота, химчистки, температуропроводность.

Рис. 2.32. Средняя априорная диаграмма рангов (психологический эксперимент)

Таким образом, очевидно, что помимо защиты от повышенных температур окружающей среды, что требует создания воздухопроницаемой, вентилируемой одежды, рабочие считают важными характеристики водонепроницаемости и водоупорности.

Поэтому при проектировании спецодежды именно указанные характеристики должны применяться для оценки качества.

Пути улучшения теплового состояния сельскохозяйственных рабочих в условиях повышенных температур

При проектировании специальной одежды для защиты от повышенных температур, при условии, что работы выполняются на открытом воздухе и помимо высокой температуры окружающей среды на работников непосредственно воздействует солнечная радиация, необходимо оценивать и учитывать дополнительное воздействие указанного фактора.

Под солнечной радиацией понимают весь испускаемый Солнцем поток радиации, который представляет собой электромагнитные колебания различной длины волны. В гигиеническом отношении особый интерес представляет собой оптическая часть солнечного света, которая занимает диапазон от 280 до 2800 нм. Более длинные - радиоволны, более короткие - гамма-лучи, ионизирующее излучение - не доходят до поверхности Земли, так как задерживаются в верхних слоях атмосферы, в озоновом слое.

Интенсивность солнечной радиации зависит:

- от высоты стояния Солнца над горизонтом (если Солнце в зените - путь, который проходят солнечные лучи, значительно короче. За счёт увеличения пути интенсивность солнечной радиации меняется);

- от угла падения солнечных лучей - от этого зависит освещаемая территория (при увеличении угла падения площадь освещения увеличивается). То есть та же солнечная радиация приходится на большую поверхность, поэтому интенсивность уменьшается;

- от массы воздуха, через которую проходят солнечные лучи. Интенсивность в горах выше, чем над уровнем моря, потому что слой воздуха, через который проходят солнечные лучи, будет меньше, чем над уровнем моря;

- состояния атмосферы, её загрязнённости. В городе интенсивность в среднем на 12 % ниже, чем в сельской местности.

Всё вышеперечисленное свидетельствует о том, что интенсивность солнечной радиации, которая воздействует на сельскохозяйственных рабочих на юге России, занимающихся чаеводством или виноградарством, имеет максимальные из возможных значения.

С целью создания более благоприятных условий труда необходимо учитывать данный фактор при проектировании защитной одежды. Сложной задачей является защита человека от инфракрасного излучения [44], особенно в сочетании с высокой температурой окружающего воздуха. В этом случае защитная роль спецодежды сводится к уменьшению внешней тепловой нагрузки, которая может существенно превышать внутреннюю теплопродукцию человека в процессе его жизнедеятельности.

По данным П.П. Кокеткина [22], тепловой комфорт при температуре +25 ^оС сохраняется, когда человек одет в лёгкую одежду (R_сум = = 175 м²•^оС/Вт) и выполняет лёгкую работу. При температуре >28 ^о С отмечается напряжение процессов терморегуляции как у одетого, так и раздетого человека.

Средняя температура воздуха в дневные часы в летние месяцы в регионе Краснодарского края составляет от 24 до 30 ^оС, что говорит о напряжённости процессов терморегуляции у человека, выполняющего в эти часы тяжёлую физическую работу на открытом воздухе при непосредственном воздействии солнечной радиации.

Для улучшения теплового состояния человека в условиях повышенных температур воздуха и интенсивной солнечной радиации необходимо:

- уменьшить поток радиации на поверхность тела человека. Это можно сделать либо кардинально, путём применения в качестве накладок материалов с отражающими свойствами, например, металлизированных тканей, либо за счёт подбора материалов, обладающих необходимыми свойствами. К свойствам в этом смысле можно отнести цвет материала и его структуру, позволяющую задерживать поток лучистой энергии;

- обеспечить отвод тепловой энергии с поверхности тела человека, что может быть достигнуто в основном за счёт испарения влаги с поверхности тела и верхних дыхательных путей, что в условиях нагревающей внешней среды может быть единственным способом поддержания теплового баланса.

Поэтому при проектировании одежды следует обратить внимание на следующие факторы, влияющие на обеспечение теплоотдачи с поверхности тела человека:

А. Материалы для одежды должны соответствовать климатическим и гигиеническим условиям (быть гигроскопичными, легко впитывать влагу и легко отдавать поглощаемую влагу в окружающую среду, чтобы снизить влажность воздуха в пододёжном пространстве), так как повышение влажности под одеждой приводит к уменьшению выделения влаги и ухудшению самочувствия. Кроме того, увлажнённая поверхность одежды облегчает процесс терморегуляции, так как увеличивается поверхность испарения.

Б. Одежда должна иметь рациональную конструкцию. Свободная одежда, имеющая рациональные припуски на свободное облегание, обеспечивающие наличие воздушного слоя вокруг тела человека, позволяет увеличить теплоотдачу организма, способствуя испарению влаги непосредственно с кожи. Кроме того, образующийся слой водяного пара между телом и одеждой уменьшает воздействие солнечной радиации.

В. Должна быть организована рациональная система вентиляции пододёжного пространства за счёт правильного подбора размеров и мест расположения конструктивных неплотностей и вентиляционных отверстий.

Требования, предъявляемые к материалам для данной группы одежды

Соответствие спецодежды, предназначенной для эксплуатации в данных производственных условиях, комплексу требований защитного, гигиенического, эксплуатационного, эстетического характера обеспечивается, прежде всего, свойствами материалов, из которых она изготавливается. Поэтому выполнение одеждой своих функций в наибольшей степени определяется соответствием свойств материалов, входящих в пакет данного изделия, требованиям, предъявляемым к материалам данной категории.

Для улучшения теплового состояния человека в условиях повышенной температуры воздуха и интенсивной солнечной радиации необходимо в первую очередь уменьшить приток последней к поверхности тела. Это может быть достигнуто путём применения материалов малой теплопроводности, а также материалов, которые отражали бы максимальное количество солнечных лучей.

Большое значение имеют цвет материала и его структура (в частности, наличие сквозных пор). Задержка потока лучистой энергии (в том числе и его ультрафиолетовой части) по результатам большинства исследователей значительно выше у окрашенных материалов [44]. Кроме того, использование красителей препятствует разрушению волокон материала под действием солнца, т.е. замедляет его светостарение.

Одним из путей создания спецодежды, позволяющих поддерживать наиболее оптимальный микроклимат вокруг тела рабочего в рассматриваемых условиях, является применение текстильных материалов, способных обеспечить в течение продолжительного времени отведение продуктов жизнедеятельности организма человека (тепло, влага, антропотоксины) из пододёжного пространства в окружающую среду. Летом одежда не должна затруднять теплоотдачу и испарение пота. Для этой цели рекомендуются материалы с хорошей гигроскопичностью (не менее 7 %), воздухопроницаемостью не менее 330ч370 дм³/(м²Чс) и паропроницаемостью, влагопроницаемостью, капиллярностью. Требование сохранения высокой воздухопроницаемости особенно важно для увлажнённого материала [47].

На показатели гигроскопичности и влагоотдачи текстильных материалов существенное влияние оказывает характер переплетения нитей и их волокнистый состав. Чем плотнее ткани, тем медленнее они впитывают и отдают влагу [48]. При медленном испарении влаги материал остаётся слегка увлажнённым, что обеспечивает равномерный теплосъём и меньшее обезвоживание организма. Для этой же цели в жарком климате рекомендуется двухслойная одежда, состоящая из белья и верха. Такая одежда, во-первых, снижает нагревающее действие внешней среды (вследствие меньшей теплопроводности пакета материалов) и, во вторых, уменьшает загрязнение верхней одежды выделяющимся потом [44].

В условиях нагревающей среды и активной физической деятельности человека воздухопроницаемость материалов является чрезвычайно важным свойством, обеспечивающим естественную вентиляцию пододёжного пространства, удаление углекислоты и других продуктов, выделяющихся в процессе газообмена через кожу из пододёжного пространства. Она неразрывно связана со строением ткани и видом отделки. Однако основным параметром, определяющим воздухопроницаемость, является пористость ткани. При одинаковом поверхностном заполнении ткани полотняного переплетения обладают наименьшей способностью пропускать воздух, чем ткани саржевого или атласного переплетений. Отмеченное связано с влиянием на воздухопроницаемость длины перекрытия нитей [48].