Анализ рабочей позы оператора строительной машины

Доктор техн. наук Л. А. ГОЛДОБИНА

Анализ рабочей позы оператора

строительной машины

Известно, что рабочая поза человека-оператора является главным фактором, влияющим на устойчивость динамической системы «оператор - строительная машина - среда» и коэффициент работоспособности человека-оператора [1, 2].

Проведем анализ рабочей позы оператора строительной машины с целью выявления условий работы последнего, соответствующих комфортным условиям труда.

В строительных машинах наиболее распространенной является рабочая поза «сидя», что объясняется рядом обстоятельств:

1.  При работе «сидя» уменьшается высота центра тяжести над точкой опоры, благодаря чему возрастает устойчивость тела, значительно сокращаются энергетические затраты организма на поддержание такой позы;

2.  При выполнении рабочих операций по управлению строительной машиной участвует ограниченная группа мышц, в основном, управление осуществляется руками (при действии с рычагами) и ногами (при действии педалями), а поэтому предпочтительнее поза «сидя».

Всякая поза считается выбранной правильно, если проекция общего центра тяжести лежит в пределах площади опоры. В противном случае возможны значительные мышечные усилия, то есть статические напряжения. Длительные статические напряжения мышц могут вызвать быстрое утомление, снижение работоспособности, профзаболевания (искривление позвоночника, расширение вен, плоскостопие) и травматизм.

При проектировании рабочего места необходимо учитывать следующие зависимости: если при прямой позе «сидя» мышечную работу принять равной 1, то при прямой позе «стоя» мышечная работа составляет 1,6; при наклонной позе «сидя» - 4; при наклонной позе «стоя» - 10. Статическая поза утомительнее, чем динамическая [3].

Наиболее важными моментами, определяющими выбор рабочей позы, являются:

- применяемое усилие в процессе работы (например, к рычагам и педалям управления);

- степень подвижности рабочего, обусловленная характером и конкретным содержанием технологического процесса;

- величина рабочей зоны и соотношение между антропометрическими характеристиками человека и пространственной организацией рабочих мест.

В качестве предварительной оценки рабочей позы оператора строительной машины воспользуемся схемой возможных положений человека при выполнении рабочих операций, характерной для большинства человеко-машинных систем, работающих в земных условиях (транспортные, подъемно-транспортные и другие машины) [2].

Рассмотрим возможные положения тела человека-оператора (рис.1) строительной машины (башенного, автомобильного, пневмоколесного, гусеничного кранов, бульдозера, экскаватора), принимаемые им при выполнении рабочих операций относительно действующего ускорения свободного падения и главного направления, по которому к оператору по визуальному каналу обратной связи поступает необходимая для управления машиной входная информация , где - количество контролируемых (наблюдаемых) объектов; - количество каналов связи (стропальщиков, членов бригады и др.). Эта информация вместе с составляет сумму расчетной информации , подлежащей переработке человеком-оператором.

Предположив, что величина фактически перерабатываемой информации i пропорциональна косинусу угла φ между осью зрения и главным направлением входной информации i0, получим [2]:

, (1)

тогда коэффициент выполнения функций управления будет (0<<1):

. (2)

В качестве параметра, характеризующего рабочую позу, предлагается [2] угол ψ между главным направлением поступления информации и прямой, соединяющей центр головы со ступнями. В случае выпрямленного туловища (рис.1) при выполнении работы в положении «стоя» угол φ = ψ - 900 , а в положении «сидя» - φ = ψ - 550. Коэффициент выполнения функций управления определяется:

-  в положении «стоя» - =cos(ψ – 900);

-  в положении «сидя» - =cos(ψ – 550).

Характер выполняемых работ с использованием конкретной строительной машины и особенности ее конструкции позволили путем натурных исследований определить фактические значения углов обзора в вертикальной и горизонтальной плоскостях для различных типов машин [4] (см. табл. 1).

Выполнение строительно-монтажных работ с использованием башенных кранов в большей мере связано с необходимостью вести наблюдения за объектами, располагающимися в нижней зоне относительно положения оператора, особенно при возведении нулевого цикла и первых этажей здания. При выполнении работ с помощью мобильных строительных кранов (автокранов, пневмоколесных, гусеничных) чаще возникают неудобства из-за недостаточных обзорных качеств кабин при ведении обзора за перемещаемым грузом на крюке стрелы, находящихся в верхней зоне.

Угловые параметры обзорности кабин строительных машин

Таблица 1

Угловые параметры, град.	Башенные краны	Автокран КС-3575А	Пневмо- кран КС-4361А	Гусенич- ный кран РДК-25	Бульдо- зер ДЗ-171	Экскава- тор ЭО-4124
КБ-403А	КБ-405.2А	КБ-408
1. Вертикальный угол обзора: вверх (конструктивный средний)	67	59	66	50	50	50	33	19
2. Вертикальный угол обзора: вниз (конструктивный средний)	58	35	68	42	25	30	23	23
3. Угол, при котором должен быть виден объект наблюдения у поверхности земли при минимальном вылете стрелы	840 55´	780 26´	890 16´	До 90	До 90	До 90	-	-
4. Горизонтальный угол обзора (конструктивный)	37-37 (вправо и влево)	от 43 до 60 в обе стороны	34-34 (вправо и влево)	до 40 в обе стороны	до 40 в обе стороны	до 40 в обе стороны	по 68 в обе стороны	по 54 в обе стороны
5. Диапазон расположения объектов наблюдения в вертикальной плоскости в передней полусфере	500 и более-вверх; до 900 – вниз	500 и более-вверх; до 900- вниз	500 и более-вверх; до 900- вниз	500 и более-вверх; до 900 – вниз	500 и более-вверх; до 900 – вниз	500 и более-вверх; до 900 – вниз	До 150-вверх; до 900 – вниз	500 и более-вверх; до 900 – вниз
6. То же, в горизонтальной плоскости	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны	по 900 в обе стороны

Наблюдение за объектами, перемещающимися в горизонтальной плоскости, более неудобным представляется из кабины автокрана, по этой причине оператору не только приходится поворачиваться всем корпусом и головой, но и зачастую вести управление выглядывая из кабины, при этом находясь как в положении «сидя», так и в положении «стоя».

Выполняя земляные работы с использованием бульдозера и экскаватора визуальная информация из-за ограниченных обзорных качеств кабин трудно доступна как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной плоскостях, что заставляет операторов работать в вынужденной рабочей позе: либо запрокинув голову вверх, либо глубоко согнувшись вперед, либо существенно повернувшись в сторону-назад, при этом чаще всего, работая при открытой двери кабины, увеличивая тем самым вероятность возникновения несчастного случая. Особенно это касается работ, выполняемых при планировке поверхности бульдозером, передвигающимся с определенной скоростью по неровной поверхности, что вызывает резкие толчки, и при открытой двери оператор может быть выброшен из кабины.

Минимальная энергоемкость процесса наблюдения за объектами, участвующими в строительном производстве, возможна при условии, когда оператор находится в положении «сидя», и основная информация поступает в направлении, совпадающим со зрительной осью (рис. 1), то есть при φ = 00 и ψ=550 . При том же значении угла φ = 00 и ψ=900, то есть в положении «стоя» энергоемкость может увеличиться в 1,6 раза [2, 3].

Однако, в действительности оператор строительной машины (особенно строительного крана) вынужден вести наблюдение за объектами, расположенными как минимум в передней полусфере, то есть в диапазоне от +900 (вверх) до –900 (вниз) и от +900 (вправо) до –900 (влево), результатом чего является необходимость слежения с помощью глазных яблок, головы, шеи и корпуса тела (туловища).

Используя возможности бинокулярного зрения, а также способность осуществлять наклоны головой вверх до +300 и вниз до – 200, а также шеей вверх - назад до +400 и вниз до – 300 , будем считать, что границы угла ψ, при том, что наблюдение ведется из положения «сидя» за объектами верхней зоны, могут увеличиться до 1800 . При наблюдении за объектами нижней зоны значение угла ψ (рис. 1) уменьшается, но при этом наблюдение возможно только за счет дополнительного напряжения глазных яблок (при использовании возможностей бинокулярного зрения) и (или) наклонов головы, шеи, туловища, что без сомнения, приводит к повышению энергоемкости процесса.

Если учесть, что основной поток информации оператор получает при значении угла 00 ≤ φ≤ 550 – вверх и 00 ≤ φ≤ - 650 – вниз, то угол между главным направлением поступления информации и прямой, соединяющей центр головы со ступнями будет изменяться в пределах:

-  при положении «сидя»: 00 ≤ ψ- 550 ≤ 550 и 00 ≤ ψ- 550 ≤ -650;

-  при положении «стоя»: 00 ≤ ψ- 900 ≤ 550 и 00 ≤ ψ- 900 ≤ -650.

Расчет энергозатрат организма на самообслуживание позволяет определить оптимальную рабочую позу, соответствующую значению kск(max)-коэффициенту удобства сиденья.

Энергозатраты на выполнение оператором вынужденных наклонов определяются законом изменения нагрузки на мускулатуру в зависимости от рабочей позы [2]:

а =f(ψ). (3)

Расход энергии а, затрачиваемой организмом на выполнение вынужденных наклонов, можно представить в виде [2]:

а = а(g=0)+Δам, (4)

где а(g=0)- минимальный расход энергии на самообслуживание организма в невесомости при расслабленной мускулатуре тела; Δам - расход энергии на действие мускулатуры тела для сохранения естественной формы и удержания в заданной позе, Дж/ч·град.

Особенность величины Δам заключается в ее зависимости от усилий, развиваемых мускулатурой при неподвижном теле: человек стоит или сидит неподвижно, а мускулатура напряжена, поддерживая заданную позу и потребляя энергию [2]. По предположению величина энергетических затрат Δам, приходящихся на 1 кг массы тела, пропорциональна общему усилию , развиваемому мускулатурой и также отнесенному к массе тела:

Δам = , (5)

где F- суммарное усилие, развиваемое всей мускулатурой тела для сохранения рабочей позы; m – масса тела; с – коэффициент пропорциональности.

Если тело в заданной позе находится в состоянии покоя, то усилие F, развиваемое мускулатурой, уравновешивает массовые силы, действующие на тело в поле тяготения с ускорением свободного падения g . Это позволяет определить силу F подсчетом массовых сил. С этой целью тело человека представляется [2] в форме равного по массе цилиндра с отношением диаметра d0 к длине, как 1: 6 (рис. 1), силу F– в виде суммы:

F=Fдеф +Fпер, (6)

где Fдеф – суммарное усилие, развиваемое мускулатурой для противодействия внутренним гидростатическим силам, стремящимся деформировать тело; Fпер – суммарное усилие, развиваемое мускулатурой для противодействия массовым силам, стремящимся переместить тело.

При расчете Fдеф принимаются во внимание только силы гидростатического давления р, действующие на наиболее деформируемую часть тела в области грудной клетки и живота. Эта область условно представлена в форме цилиндра с тонкими упругими стенками, заполненного жидкостью плотностью γm , равной средней плотности тела человека. На рис. 1 объем V этой области ограничен величинами от d0 до 3d0 по длине туловища, начиная с его верхней части.

Величина Fдеф зависит от разности h1(ψ) высот верхнего и нижнего краев жидкости в цилиндре объемом V. Разность h1(ψ) для всех значений ψ при выпрямленном туловище представляется приближенной зависимостью [2]:

h1(ψ) = d0(1+sin ψ) , (7)

или, при обозначении h1(ψ)/d0= (ψ),

(ψ)= 1+sinψ . (8)

При различных положениях тела значения (ψ) будут определяться согласно выражениям:

- при 00 <ψ< 550 разность (ψ)= 1+sin 1.63ψ ;

- при 550 <ψ< 900 разность (ψ)=2.0=const; (9)

- при 900 <ψ< 1800 разность (ψ)= 1+sinψ.

Суммарное усилие Fдеф определяется выражением

. (10)

Выражение (10) определяет величину усилия мускулатуры, развиваемого телом, имеющим массу [2]:

. (11)

Выражение для определения величины усилия, приходящегося на 1 кг массы тела:

(12)

При этом зависимость определяется условиями (8), (9).

Суммарное усилие мускулатуры FПЕР, противодействующее перемещению тела под действием массовых сил, определяется разностью сил веса и трения, действующих на тело по касательной к плоскости сиденья:

FПЕР= G(sinψ –μcosψ)=Gλ(ψ), (13)

где G=mg – все тела; μ – коэффициент трения тела о поверхность сиденья.

Функция λ(ψ)=sinψ –μcosψ характеризует соотношение сил трения и веса. При силах трения, превышающих составляющую силы веса, тело находится в состоянии покоя и для его поддержания мускульного усилия не требуется. Поэтому в расчете FПЕР следует принимать во внимание только значения λ(ψ), соответствующие условию [2]:

sinψ –μcosψ >0. (14)

Поскольку λ(ψ) должно быть больше 0, нас при анализе рабочей позы будет интересовать диапазон значений 300 < ψ < 1800.

Величина усилия, приходящаяся на 1 кг массы, определяется выражением:

. (15)

В результате сложения выражений (12) и (15) было получено [2]:

, (16)

где функция представляет закон изменения нагрузки на мускулатуру в зависимости от рабочей позы, а g играет роль масштаба этой нагрузки.

Безразмерная величина , представляющая относительные энергозатраты организма от занимаемой рабочей позы определяется выражением [2]:

, (17)

есть отнесенный к массе тела расход энергии на выполнение оператором вынужденных наклонов в условных единицах, равных минимальному расходу

а (g=0) в состоянии невесомости при расслабленной мускулатуре тела. Как видно из графиков эта величина оказывается максимальной при рабочей позе стоя (ψ=900 ).

Отношение , характеризующее работоспособность человека-оператора в зависимости от его рабочей позы, представлено графически на рис. 2, которые демонстрируют зависимость функции управления и энергозатрат оператора от занимаемой рабочей позы в положении «сидя» и «стоя» при различных значения угла ψ между главным направлением поступления информации и прямой, соединяющей центр головы со ступнями и при условии, что а(g=0) =0.87 ккал/ч·град = 3.65 Дж/ ч·град.

Очевидно, что коэффициент функции управления принимает максимальное значение, равное 1 только в области 550 , то есть при положении «сидя».

Всем случаям отклонения туловища назад, то есть в область ψ < 550 соответствуют значения < 1, свидетельствующие о снижении количества получаемой информации из-за плохого обзора вперед-вниз.

Максимальные энергозатраты со стороны оператора при наблюдении имеют место, когда угол ψ увеличивается и находится в пределах от 01.01.01 . Это возможно в том случае, когда основной поток информации поступает по направлению, не совпадающему с главной осью зрения оператора. Например, когда объекты находятся выше оси зрения, и оператор вынужден поднимать голову и находиться в таком положении по времени, продиктованном временем рабочей операции. При таком положении рабочей позы заметно влияние напряжения на мускулатуру оператора.

При нахождении объектов в нижней зоне обзора оператору необходимо выполнять наклоны вперед-вниз посредством головы, шеи и туловища. При этом угол, заключенный между основным направлением поступления информации и прямой, соединяющей центр головы со ступнями, уменьшается, а вместе с этим как показывают расчеты, уменьшаются и энергозатраты, что противоречит сути происходящего.

Анализ работоспособности оператора от положения рабочей позы, принимаемой оператором при различных угловых значениях областей получения визуальной информации показывает, что с целью наиболее производительного и безопасного труда необходимо снижать энергетические затраты оператора за счет определения оптимальных условий удобства работы в кабине, при этом учитывая также возможность улучшения обзора путем физиологически допустимых отклонений головы, глазных яблок, изменения формы туловища при изменениях рабочей позы и другие физиологические факторы организма.

Существующая прямая связь качественных оценок удобства рабочей позы с тенденцией организма занять положение, наиболее выгодное в энергетическом отношении, позволяет определять оптимальную по удобству рабочую позу человека-оператора расчетом энергозатрат его организма [2].

Необходимо также иметь в виду, что максимум работоспособности человека-оператора, определенный расчетом оптимальной рабочей позы, может не соответствовать максимуму выходной функции всей системы ОСМС в случае, если оптимальная рабочая поза обходится ценой снижения предельных выходных данных системы.

Подводя итог, отметим, что при проектировании кабин строительных машин и их орг - и техоснастки, следует значительное внимание сосредоточить на удобство расположения рычагов управления относительно сиденья оператора, обзорные качества будущей кабины, конструктивные особенности сиденья оператора, что позволит снизить энергозатраты оператора, повысить производительность его труда и обеспечить безопасность производства работ.

Литература

1. Голдобина условий и охраны труда в сельскохозяйственном строительстве за счет разработки и внедрения инженерно-технических методов и средств, обеспечивающих устойчивость системы «оператор-строительная машина - среда»:Дис…докт. техн. наук. – С-Пб, 2003. – 787 с.

2. Адамович машин.(Эргономические основы оптимизации рабочего места человека-оператора). – М.: Машиностроение, 1977. – 280 с.

3. , , Сердюк технологических процессов и производств (Охрана труда). – Изд. 2-е исправ. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 317 с.

4. , Голдобина и оценка условий труда операторов башенных кранов 4-ой размерной группы г. Ярославля. – М., 1998. – 31 с. – Деп. в ВНИИТЭИагропрома 18.02.98, № 7 ВС-98.