Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Исследованиями [1] установлено, что эффективность труда напрямую зависит от эргономичности и удобства рабочего места. Для наглядного представления о повышении эффективности работы в целом при использовании эргономичных рабочих мест, имеется следующая статистика (рис. 1) [2].

Как отмечается в работах [3, 4] проектирование эргономичных рабочих мест (РМ) «с нуля» уже является достаточно изученной областью. Поэтому перед специалистами в области человеческого фактора и эргономики стоит более сложная задача – формализовать, смоделировать и математически описать процесс эргономического реинжиниринга (ЭР), то есть перепроектирования уже существующих рабочих мест при установленных ресурсах и определенных условиях (рис. 2).

Значительная часть технические средств, используемых в горнодобывающей промышленности требуют присутствия человека (оператора), поэтому совершенствование конструкций РМ, для обеспечения максимальной безопасности условий труда, несомненно, актуальная задача.

Функции по управлению техническим средством осуществляются с его определенной части, а именно из кабины, поэтому в работе реализован один из подходов в эргономическом реинжиниринге кабин горных машин (на примере карьерных экскаваторов).

В мировой практики имеется следующая классификация кабин [5]:

1. Falling Object Protective Structures (FOPSs) – структура кабины защищает от падающих объектов.

a. Уровень I – структура кабины защищает от ударов с энергией, не превышающей 1365 Дж, что соответствует ударам кирпичей, мелких кусков породы или ручного инструмента.

б. Уровень II – структура кабины обеспечивает защиту от ударов с энергией до 11600 Дж, защищает от обрушения деревьев или средних кусков породы.

2. Rock Slide Protective Structures (RSPSs) – структура кабины защищает от ударов c энергией, по крайней мере 60 кДж. Это значение соответствует падению крупных кусков породы.

3. Roll Over Protective Structures (ROPSs) – проходные защитные конструкции (ROPS) – защищают при опрокидывания машины.

4. Tip Over Protective Structures (TOPSs) – имеют структуру, эквивалентную ROPS и выделенную к меньшим, так называемым компактным экскаваторам.

В работах [5-8] обосновано использование метода виртуальных прототипов при создании и модернизации кабин горных машин, которые производятся малыми сериями или в виде отдельных экземпляров. Метод позволяет с одной стороны оценить технические разработки до их воплощения в действующие конструкции, а с другой проводить модернизацию и оценку кабин-прототипов на основе антропотехнических критериев с использованием аппаратных и программных возможностей.

Критериями оценки виртуального прототипа служат две основные группы: технические и антропотехнические (рис. 3).

Технические критерии относятся только к оценке технических характеристик и позволяют оценить его особенности, такие как: функциональность, прочность, надежность и др. Антропотехнические критерии обусловлены наличием человек внутри машины или оборудования. В этой группе можно выделить эргономические критерии: диапазоны конечностей – идентификация зон диапазона и зон комфорта, включая необходимость работы в неудобных позах тела; поле зрения; нагрузки в мышечно-скелетной системе – способность воздействовать силами и крутящими моментами на конечности; критерии безопасности – защита от механических опасностей; критерий травмы головы; шум; вибрация; риск проскальзывания, спотыкания, падения; правильное освещение – отсутствие затененных областей, блики и стробоскопический эффект (рис. 4).

В САПР Autodesk Inventor нами создан параметрический 3D-прототип кабины карьерного экскаватора, за основу принята типовая модульная кабина экскаватора типа ЭКГ – 5А. Нами проанализирован процесс выполнения задач по экскавации горной массы, рабочие операции выполняемые оператором и его взаимодействие с органами управления и средствами визуализации, использован опыт и знания мировых и отечественных разработчиков горной техники. Учтена дополнительная информация: жесткое соединение сиденья с кабиной, толщина листов обшивки каркаса, площадь остекления.

В силу специфики компоновки карьерного экскаватора и габаритных размеров кабины необходимо, чтобы 3D-прототип кабины соответствовал не только всем заданным геометрическим размерам, но и был оптимальным по пространственным характеристикам и максимально удобными и безопасными по эксплуатационным качествам.

Созданный виртуальный 3D-прототип кабины карьерного экскаватора позволяет моделировать обзорность с РМ оператора, оценку визуальной информативности производственной зоны и рабочего пространства оператора. Модель кабины была дополнена виртуальной моделью оператора. Антропометрические характеристики оператора экскаватора определяют соответствие размеров кабины к форме тела человека, к распределению массы его тела, при этом учитываются не только собственно анатомические особенности, но и возможность движений с учетом рабочего положения во время активного использования оборудования кабины экскаватора (рис. 5) [9-13].

Конечным результатом эргономического реижиниринга является соответствие требованиям потребителя. Поэтому для определения достигнутого уровня перепроектирования нами использован математический аппарат теории нечетких множеств и разработана на его основе математическая модель, позволяющая актуализировать качественные критерии оценки эргономичности кабин карьерных экскаваторов [14-16]. Эргономичность является целостной характеристикой и определяется совокупностью эргономических свойств: управляемости, обслуживаемости, осваиваемости, обитаемости и технологичности. Представляет собой предметную область, которая характеризуется качественным и количественным описанием критериев с преобладанием качественных характеристик. В современной теории идентификации важная роль отводится методам, использующим лингвистическую информацию для построения математических моделей.

Разработка нечеткой модели включает несколько этапов: структурная идентификации модели; параметрическая идентификация; апробация и корректировка модели. Модель содержит пять входных лингвистических переменных (Аi), базу логических правил управления и одну выходную лингвистическую переменную (B) (табл. 1, 2). Обоснован выбор вида функции принадлежности для термов лингвистических переменных на их универсумах, процесс построения функций принадлежности термов лингвистических переменных основан на их количественных значениях, определенных нормативной документацией, а также статистических данных, опубликованных в периодических изданиях, отчетах о деятельности отечественных горнодобывающих предприятий и других аналитических материалах.

Таким образом, использование современных программных средств и возможностей теории нечетких множеств позволит оптимизировать процесс эргономического реижиниринга и обеспечить минимальные ресурсные затраты.