Эргономичность рабочего места операторов мобильных агрегатов АПК и устройство для её оценки

Введение. Интенсивное развитие в последние годы сельскохозяйственного производства и агропромышленного комплекса (АПК) в целом является свидетельством обстоятельного продовольственного обеспечения населения нашей страны и частично тех стран, куда экспортируется продукция АПК. Этот результат достижения последнего десятилетия в части агропромышленного производства (АПП) обеспечен крестьянским трудом благодаря ряду основополагающих документов государственного уровня. В их числе: Государственная программа развития сельского хозяйства, регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы [1], Указы Президента Российской Федерации «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» [2], а также «О стратегии национальной безопасности Российской Федерации» [3], Постановление Правительства Российской Федерации от 25.08.2011 года № 996 «Об утверждении Федеральной научнотехнической программы развития сельского хозяйства на 2017–2025 годы» [4], Постановление Совета Федерации Федерального собрания РФ [5]. Благодаря этим документам и труду крестьян достигнуты значительные успехи во всех подотраслях АПК, о чём в обобщённом виде приведены сведения в Российском статистическом ежегоднике [6] и Статистическом сборнике «Сельское хозяйство в России» 2023 г. [7].

Характерной чертой производства сельскохозяйственной продукции в течение последнего десятилетия является повышение уровня электромеханизации и автоматизации производства практически во всех основных подотраслях (животноводство, растениеводство, птицеводство, плодоовощеводство и др.). Совершенствуются технологии и в перерабатывающих подотраслях. Существенно укреплена материально-техническая база предприятий. Уделяется внимание инвестициям на развитие сельского хозяй- ства, вводу в действие производственных мощностей, освоению новых технологий и расширению производства основных видов сельскохозяйственной техники, т.е. тем аспектам, которые вместе с кадровым потенциалом определяют успехи отрасли внутри страны и за её пределами.

Отличительной особенностью отечественной и зарубежной сельскохозяйственной техники является её совершенствование не только по технологическим, но и по трудоохранным параметрам в части совершенствования их по направлению увязки её параметров с антропометрическими характеристиками человека, т.е. оператора этой техники, включая соответствие техники нормативно-правовой базе. Последняя выступает гарантом нормируемых условий труда с обеспечением безопасности и безвредности выполняемых работ с сохранением жизни, здоровья и долголетия жизнедеятельности работников. Эти положения закреплены в базовых документах страны, какими в обсуждаемом направлении являются Конституция Российской Федерации [8], Гражданский [9], Трудовой [10] и Уголовный [11] кодексы Российской Федерации, Система стандартов безопасности труда (ССБТ) (ГОСТ Р 12.0.001-2013 Национальный стандарт Российской Федерации «Система стандартов безопасности труда», Дата введения – 2014-0601), Указы Президента страны, Постановления её Правительства, приказы и распоряжения Минтрудсоцзащиты [12] и другие документы по проблемам условий труда, его безопасности и безвредности.

Особое внимание в мировой и отечественной практике уделяется повышению качества «потребительских свойств» мобильной сельскохозяйственной техники путём совершенствования эргономических параметров рабочих в целях улучшения условий труда, снижения его тяжести, напряженности и сохранения работоспособности операторов.

Целью исследований является разработка устройства для оценки эргономичности рабочего места оператора мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Материалы и методы исследования. В качестве материалов исследований использовались данные анализа условий труда на рабочих местах операторов мобильных средств механизации процессов АПК на многообразных видах работ в сельскохозяйственном производстве (пахота, боронование, посевные и посадочные операции, междурядная обработка, транспортные работы при перевозке различных сельскохозяйственных грузов практически круглогодично). Методами анализа являлись экспертная оценка рабочего места мобильных агрегатов на базе тракторов семейства Беларусь различных модификаций, К-701, автомобилей САЗ, УАЗ и КАМАЗ на основе измерений зон досягаемости оператором органов управления МТА, усилий операторов при воздействии на органы управления, обзорности с рабочего места и др.

Результаты исследования и их обсуждение . При исследованиях учитывалось, что рассматриваемая система является важнейшей составной частью человеко-машинных систем. Поэтому ей в стране [13] и мировой практике [14] в работах по серийным [15–17] и перспективным [18–19] МТА уделяется особое внимание, ориентируемое на психофизиологические и антропометрические особенности и возможности человека в направлении создания и обеспечения нормируемых условий труда в соответствии с перечисленными выше нормативно-правовыми документами.

Необходимость в работах данного направления вызвана тем, что результатами авторских исследований эргономических параметров сельскохозяйственных тракторов установлено неполное соответствие нормативам по ряду параметров. Нормативные требования к рабочему месту оператора и органам управления трактором и агрегатом на его базе с целью обеспечения удобства и возможности профессионального выполнения им должностных функций подразделяются на четыре группы применительно к постоянному рабочему месту оператора и органам управления трактором в кабине, где размещены регламентируемые эргономическими требованиями педали и другие элементы управления. В их числе группа гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических требований. Так, в соответствии с ГОСТами ССБТ к гигиеническим параметрам относят: уровни звука на рабочем месте и внешнего шума, концентрации пыли и СО, влияние вибрации на организм оператора и на органы управления трактором, параметры микроклимата в кабине; к антропометрическим относят зоны досягаемости поля размещения органов управления, размеры рабочего пространства в кабине, аварийные выходы и системы доступа к ним, дислокацию органов управления рулевого колеса, рычагов механизмов поворота, ровность опорных площадок часто используемых педалей управления, расположение и размеры сидений и др.; к физиологическим относят: силы сопротивления перемещению органов управления, формы и размеры рукояток и других ручных органов управления; к разряду психологических относят средства отображения информации, построение мнемосхем, обзорность с рабочего места в рабочем положении сидя. По всем из перечисленных параметров ГОСТами предусмотрены соответствующие значения (размеры, усилия, расположение и др.). Практика обследований названных гостируемых эргономических параметров в реальной эксплуатации подтверждает неполное их соответствие требованиям ССБТ.

Представляет интерес так называемая комплексная (интегральная) оценка безопасности тракториста с учетом эргономических показателей. Суть её состоит в потребности поддержания эргономических и общетехнических параметров (включая безопасность) в пределах +2,5% от осреднённого значения (94,5%). Значения комплексного параметра обследованных тракторов МТЗ 80/82 составляли около 50% от трактора-эталона; у трактора К-701 только 44%. При этом отдельные эргономические показатели отличались от предельно допустимого уровня их (по сравнению с эталонным трактором) на 10–15% из-за неудобства конструктивных элементов. Следствием изложенного являются близкие к дискомфортным условия труда, способствующие утрате трудоспособности, достигающей для операторов старше 40–45 лет к началу второго десятилетия эксплуатации названных марок тракторов осреднённо 1,5–2,0 месяца в год. Изложенное вынуждает принимать меры к улучшению ситуации с учётом того, что увеличиваются энергонасыщенность тракторов, их рабочие скорости, растет ширина захвата, увеличивается количество рабочих органов управления машиной, появляется возможность совмещения различных технологических процессов; происходит интенсификация труда оператора. Это ведет к возрастанию нервно-эмоциональных нагрузок, связанных с управлением машиной, с внимательным слежением за работой машины и агрегатированных с ней прицепных, навесных и других орудий. Возрастает значимость проблемы «человек – машина – среда» применительно к сельскохозяйственному производству.

Вместе с тем современные машины оборудуются органами управления в большинстве случаев без должного учета антропометрических характеристик опорно-двигательного аппарата человека и его физических способностей.

Это говорит о необходимости эффективного использования мышечной энергии оператора. К основным направлениям исследования эргономичности рабочего места оператора необходимо отнести конструктивные характеристики органов управления по степени эффективности затрат мышечной энергии. Конкретизация этих положений заключается в излагаемом ниже материале.

Условия и безопасность труда обеспечивается за счет свода правил по безопасности труда, инструкций по эксплуатации техники, периодического контроля и инструктажа работников, расследования несчастных случаев на производстве с выявлением и устранением причин. Вместе с тем ведется работа по совершенствованию техники по условиям труда.

Существующие стандарты предусматривают выполнение норм, которые обеспечивают создание удобств для оператора на рабочем месте. Основные требования безопасности, предъявляемые к конструкции машин, определены ГОСТ 12.2.019-86, ГОСТ 12.2.111-85. Стандарты устанавливают различные значения углов поперечной статической устойчивости в зависимости от класса тяги и назначения транспортных средств. Тем не менее на основании проведенных исследований методы могут быть дополнены и усовершенствованы. Это касает- ся набора факторов, влияющих на условия труда, обзорность с учетом места объекта наблюдения, относительного перемещения объектов, времени суток.

Расположение органов управления могут учитывать векторы их перемещения, расположение траекторий точек приложения усилий относительно опорного сустава конечности. В частном случае можно привести пример использования измерительного устройства доступности оператора к взаимодействию с органами управления машины на рабочем месте.

В качестве примера конкретизации части изложенных положений в направлении улучшения ситуации ниже приводится обоснованное и разработанное устройство для измерения эргономичности органов управления транспортного средства за счёт обеспечения доступности оператора к ним (патент на полезную модель RU 101189). Принципиальная схема устройства приведена на рисунке.

При установке устройства и проведении измерений трубчатый каркас 6 опорным полуцилиндрическим элементом (седалищем) 2 устанавливается на сиденье 1 в его центре таким образом, чтобы обеспечивалась надежная фиксация измерительного устройства за счет перемещения (вращения по часовой стрелке) опорного элемента в виде удлинителя 12 с опорной шайбой 15, установленного в резьбовом элементе 11 до надежного упора в потолок кабины 13 транспортного средства. Вертикальность положения устройства проверяют по жидкостному нивелиру 5 и при необходимости корректируют положение трубчатого каркаса. Для создания установленной нагрузки на сиденье

(65 кг) продолжают закручивать опорный элемент с шайбой 15. При этом трубка 10 перемещается вниз, разжимая пружину 9 (размещена в каркасе-стакане 8) со стрелкой 16, выведенной на шкалу 17, создавая усилие через трубчатый каркас 6 и опорный полуцилиндрический элемент 2 на сиденье 1. В точке опоры О фиксируется имитатор локтевых суставов 7, а в точке 3 – имитатор нижних конечностей; длина верхней части плечевого сустава ln, а нижней части его Sdв; H – высота расположения коленного сустава, а Sdн – длина нижней части нижней конечности оператора.

Измерения до верхних 18 и нижних 19 органов управления от конечностей оператора, находящихся в контакте с ними, осуществляются с помощью измерительной ленты 20, что позволяет определить расстояние от опорного сустава до точки приложения усилий или оценить степень досягаемости органа управления какой-либо из конечностей водителя. Для определения направления расположения точки приложения усилий (ТПУ) используются измерители угловых перемещений шарнирных соединений 4, а также транспортиры. Для изменения антропометрических параметров на опорных конечностях имеются трубчатые элементы 2, которые больше по диаметру, чем сымитированная конечность, что позволяет последней со специальными штырями 23 свободно входить в данный трубчатый элемент с отверстиями для фиксации. Также имеется специальная шкала 22, по которой можно определять длину конечности. Высота h может меняться за счет перемещения цилиндрического фиксатора 3 с регулировочным винтом 19.

1 – сиденье; 2 – опорный полуцилиндрический элемент (седалище);

• 3    – фиксатор; 4 – шарнирные соединения; 5 – жидкостный нивелир; 6 – трубчатый каркас;

• 7    – имитатор локтевых суставов; 8 – каркас-стакан; 9 – пружина; 10 – трубка; 11 – резьбовой элемент; 12 – удлинитель; 13 – упор в потолок кабины транспортного средства; 14 – палец-фиксатор; 15 – опорная шайба; 16 – стрелка; 17 – шкала; 18 – орган управления верхними конечностями (руками) оператора; 19 – орган управления нижними конечностями (ногами) оператора; 20 – измерительная лента; 21 – диск со шкалой отсчета; 22 – измерительная шкала;

• 23    – штырь; 24 – трубчатый элемент с отверстиями для фиксации; ln – длина верхней части плечевого сустава; Sdв – длина нижней части плечевого сустава; H – высота расположения коленного сустава, Sdн – длина нижней части нижней конечности оператора;

lm – длина верхней части нижней конечности оператора

Устройство для измерения доступности органов управления оператора транспортного средства 1 – seat; 2 – supporting semi-cylindrical element (seat); 3 – retainer; 4 – articulated joints; 5 – liquid level; 6 – tubular frame; 7 – elbow joint simulator; 8 – cup frame; 9 – spring; 10 – tube; 11 – threaded element; 12 – extension; 13 – stop against the ceiling of the vehicle cabin; 14 – retainer pin; 15 – support washer;

• 16    – arrow; 17 – scale; 18 – control element for the upper limbs (arms) of the operator; 19 – control element for the lower limbs (legs) of the operator; 20 – measuring tape; 21 – disk with a reading scale; 22 – measuring scale; 23 – pin; 24 – tubular element with holes for fixation; ln – length of the upper part of the shoulder joint; Sdв – lower part of shoulder joint;

H – height of knee joint; Sdн – length of lower part of operator’s lower limb;

lm – length of upper part of operator’s lower limb

Device for measuring accessibility of vehicle operator’s controls

Предлагаемое устройство для измерения доступности органов управления оператора транспортного средства повышает точность измерений расположения органов управления за счёт того, что на сиденье размещен трубчатый каркас, выполненный с имитацией точек расположения опорных суставов (верхних и нижних) конечностей оператора. При этом в нижней части трубчатого каркаса размещен опорный элемент, выполненный в виде согнутого по дуге седалища (опорный полуцилиндрический элемент), имитирующий контакт оператора с сиденьем транспортного средства, соединенный «тазобедренным» шарниром с трубчатым элементом, моделирующим бедро с измерительной лентой. В верхней части расположен т-образный трубчатый элемент, моделирующий ширину плеч оператора со средними антропометрическими данными, шарнирно соединенный смоделированным плечевым суставом в виде трубчатого элемента с измерительной лентой, а над ним размещен опорный элемент, на одном конце которого расположена опорная шайба, упирающаяся в потолок кабины, а на другом имеется резьба, за счет которой происходит соединение опорной части каркаса с трубчатым каркасом, а также возможность перемещения по высоте опорного элемента. Под опорным элементом располагается динамометрический элемент, содержащий корпус, внутри которого размещена пружина, зафиксированная стаканом, снабженная стрелкой, выведенной в специальную щель корпуса с нанесенной динамометрической шкалой. Трубчатый каркас в каждой точке расположения изгибов опорных суставов снабжен трехмерными измерителями угловых перемещений шарнирных соединений, каждое из которых состоит из сферических дисков, снабженных шкалой отсчета в градусах. Окончание опорных суставов выполнено в виде измерительной ленты с транспортиром для определения расстояния до органов управления и определения углов воздействия на них.

Таким образом, на месте оператора, а именно на сиденье транспортного средства, размещается устройство, состоящее из трубчатого каркаса, на котором имитируются точки расположения опорных суставов верхних и нижних конечностей оператора. При помощи измерительной ленты фиксируют расстояния до органов управления и углы, описывающие их взаимное расположение. В нижней части устройства расположен полуцилиндрический опорный элемент с имитацией бедра, моделирующий контакт оператора в области тазобедренных суставов нижних конечностей (седалище). В верхней части устройства размещается опорно-фиксирующий элемент, состоящий из корпуса с опорной шайбой на конце, которым регулируется длина всего трубчатого каркаса. Также в верхней части располагается динамометрический элемент, обеспечивающий дозированную нагрузку на сиденье транспортного средства, имитируя вес оператора. Состоит из корпуса, в котором размещается пружина, опирающаяся в квадратную гайку через направляющий стакан, снабженный стрелкой с выводом в вертикальную прорезь, предусмотренную в корпусе на шкалу, показывающую, с каким усилием осуществляется нагрузка на сиденье (согласно ГОСТ 12.2.01986 нагрузка составляет 65 кг). В точках, где имитируется расположение изгибов опорных суставов оператора, размещаются измерители угловых перемещений шарнирных соединений, окончание верхних и нижних конечностей снабжено измерительной лентой, соединяющей ор- ганы управления в точках приложения усилий. Кроме того, измерительная лента смонтирована с транспортиром, позволяющим измерить угол отклонения измерительной ленты относительно вертикальной плоскости диска. Измерительная лента имеет градуировку, позволяющую измерять расстояния от диска до точки приложения усилий и оценить при этом досягаемость конечностей оператора до органов управления при взаимодействии с ними.

Предлагаемое устройство позволяет определить координаты ТПУ органов управления транспортного средства с повышенной точностью измерений, осреднённо на 25%, что даёт возможность оценивать их степень эргономичности при взаимодействии с конечностями оператора мобильного средства. Применение изложенных положений улучшения условий труда оператора позволяет повысить качество оценки эргономичности рабочего места и совершенствовать его параметры.

В дополнение к приведенному выше отметим, что с учётом общепризнанных областей эргономических сфер интересов (техника, знаковая система, человек, художественный образ) применительно к сельскохозяйственной технике и обеспечения безопасности и безвредности её операторов на основе нормируемых значений гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических факторов, эргономичность трудового процесса Этп применительно к сфере деятельности может рассматриваться как взаимодействие минимум трёх составляющих, а именно человек – оператор Ч, предмет труда Пт применительно к сфере деятельности и среда С, в которой осуществляется взаимодействие первых двух составляющих, что позволяет формализовать сказанное записью

Этп = f1(Ч–Пт–С).      (1)

Применительно к отрасли АПК, учитывая современный уровень механизации технологических процессов и производств, справедливо конкретизировать вторую составляющую зависимости (1), т.е. Пт как машина (техника), которая применительно к подотраслям АПК (животноводство, растениеводство, плодо-овощеводство, птицеводство, переработка и хранение продукции и др.) будет увязана с технологиями, которые для каждой подотрасли своеобразны, как и применяемая при их реализации техника и оборудование. Для упрощения в общем виде под техникой будем понимать «машину» М . Тогда равенство (1) запишем так:

Эпт = f 2 (С–М–С).        (2)

Вполне очевидно, что эргономичность трудового процесса Этп будет определяться представленной в скобках последнего равенства триадой, т.е. степенью их совершенства с целью удовлетворения требований эффективности и безопасности ЭБ выполняемых работ. Очевидно, что это условие будет выполнятся тогда, когда каждая из составляющих в скобках равенства (2) будет иметь возможность обладать максимумом ситуаций, чтобы обеспечить ЭБ , т.е. справедливость принадлежности ( Є ) зависимости (3):

ЭБ е Н =1 Этп => max.     (3)

Но надо иметь в виду, что максимум в смысле определения верхних границ применителен к человеко-машинным системам, к которым относится рассматриваемая система, т.е. антропогенная желаемая, но не очень определённая применительно к среде, т.е. условиям, где осуществляется процесс. Поэто- му правомерно для определённости заменить «max» понятием «предельно допустимым» Пд или «гостированным значением» Гз. Тогда зависимость (3) приобретает вид с конкретным значением в конце вместо неконкретного «max», т.е.

ЭБ е ниэтп => Пд или Гз. (4)

Конкретизация последней зависимости позволяет детализировать внутренние составляющие зависимости (3), т.е. параметры С, М, С, поскольку они являются в общем виде индивидуальными по своим характеристикам. Однако требование зависимости (4) сводится к тому, чтобы все вышеназванные составляющие (СЧ, М, С) способствовали достижению требований по зависимости (4). Состояние (характеристика, вектор, динамика, множество воздействий и си-

Ч Є (П,З,В,У,Д,С, Др.с.) => Пд или Гз .

По параметру М отметим, что он должен соответствовать требованиям технологий Т производства, технического состояния Ст (исправен), нормативно-

М Є (Тт, Ст, НП, Эт.) => Пд или Гз .

В части параметра С (среда) и его характеристик отметим, что важнейшими его составляющими являются обеспечение нормируемых значений параметров микроклимата Мк, шумовых Ш, вибрационных Ви, световых Св параметров, а также чистоты воздуха Чв, (запахи, запылённость, загазованность, микробная обсеменённость и др.), обзорности Об рабочей зоны и окружающей среды, обеспеченности эргономических требо- туаций от различных источников и др.) должно соответствовать эффективности и безопасности трудового процесса. Важность этого требования покажем минимально кратким анализом по номенклатуре каждого из составляющих триады.

Так, касаясь человека Ч, отметим, что для выполнения своей доли участия в трудовом процессе требуется, чтобы он отличался профессионализмом П , здоровьем З , соответствующим возрастом В , психофизиологической устойчивостью У , дисциплинированностью Д , способностью С оперативного эффективного реагирования на нестандартные ситуации и другими требуемыми способностями Др.с., т.е.

правовой базе НП в части полной безопасности и безвредности, эргономическим требованиям Эт и Др. Формализуем сказанное в виде зависимости ваний Эт (зоны досягаемости Зд, усилие на органах управления Уо, компоновка рабочего места Кр), оснащение рабочего места средствами безопасности Бе (подушки и ремни безопасности, сигналы световые, звуковые, средства – зеркала обзора Сб и приборной панели Спа, вентиляции Све, кондиционирования Ско и др. Др.). Изложенное по этому параметру формализуем в виде зависимости

С Є [Мк, Ш, Ви, Св, Чв ,Об, Этр (Зд ,Уо, Кр, Бе, Соб, Све, Ско)] => Пд или Гз..  (7)

Как видно из изложенного, система   иначе обеспечивает жизнедеятельность.

Ч-М-С не из простых. Но она так или   Наиболее значимой в конкретных ситуа-

циях в ней является роль человека в интеграции своих особенностей с характеристиками параметров М и С с целью достижения желаемых результатов трудовой деятельности. Путь к достижению с минимальными затратами и потерями (опасности и негативного влияния технологий и методов и средств их реализации, а также психофизиологические особенности личности) – развитие и совершенствование науки и практики в конкретном направлении деятельности и профессионализм кадров в соответствии с требованиями безопасности и безвредности.

Выводы. Изложенные результаты исследований позволяют сделать следующие выводы.

• 1.    Современное совершенствование мобильной сельскохозяйственной техники в отечественной и мировой практике осуществляется по линии улучшения технологических и эргономических свойств с целью повышения потребительских свойств.

• 2.    Потребность в вышесказанном базируется, как показали результаты авторских НИР, на необходимости поддержания среднего значения эргономических и общетехнических показателей на рабочих местах операторов используемых мобильных сельскохозяйственных агрегатов осреднённо в пределах 94,5% (+2,5%).

• 3.    Предложенное устройство для оценки эргономичности рабочего места оператора мобильных агрегатов АПК позволяет определить координаты точек приложения усилий органов управления мобильным средством механизации процессов АПК с повышенной на 25% точностью, позволяя оценить степень их эргономичности.

• 4.    В связи с ухудшением эксплуатационных свойств мобильной сельскохо-

• зяйственной техники по годам использования, учитывая социальную значимость кадровых проблем с механизаторами и их работоспособностью, необходимо обеспечить регулярное поддержание обозначенного в пункте 2 выводов среднего значения эргономических и общетехнических показателей на рабочих местах операторов путём введения этих требований в нормативно-правовую базу по эксплуатации мобильной техники АПК.

• 5.    Эффективным путём достижения желаемых результатов с минимальными затратами и потерями является развитие науки и практики в конкретных направлениях деятельности и обеспечение профессионализма кадров по безопасности и безвредности в соответствии с требованиями современной нормативно-правовой базы страны.