Исследование влияния условий эксплуатации карьерных самосвалов на загрязнение воздуха кабин водителей

Кутенев В.Ф., д.т.н. / Сайкин А.М., к.т.н. / ФГУП «НАМИ»

УДК 629.1-47

При разработке мероприятий по снижению вредного воздействия автотранспортных средств на рабочий персонал и оценке эффективности принимаемых мер необходимым условием является изучение условий их эксплуатации, которым уделяется недостаточно внимания. Рассмотрим данный вопрос на примере работы большегрузных самосвалов в глубоких карьерах.

Изучение условий эксплуатации различных моделей карьерных самосвалов, таких как КАТ-785, Юклид R-170, ЮНИТ РИГ НД-330, БелАЗ-7513, Холпак 510Е, Комацу НД-1200, производилось в Навоийском горнометаллургическом комбинате, горно-обогатительных комбинатах: Айхальский, Юбилейный, Удачный, Ковдор и др.

Для изучения условий эксплуатации большегрузных самосвалов в глубоких карьерах использовался регистратор данных «Data Logger» системы WIMS самосвалов КАТ-785, производящий 30-минутную непрерывную запись 58 параметров работы систем самосвала и окружающей среды, в т.ч. загрузка породой и скорость движения самосвала, обороты двигателя, расход топлива, температуры и давления в системах впуска и выпуска двигателя и т.д. Анализ содержания оксидов азота (NOх), углеводородов (СНх), оксида углерода (СО) и др. вредных веществ в воздухе карьеров и кабин самосвалов производился с помощью газоанализаторов «Колион1В», ИЗВ-3М, МВ-4М (Россия), индикаторных трубок содержания в воздухе пыли (ТЧ) — измерителями пыли АП-4 и Ю-116 (Россия).

Анализ непрерывной записи основных параметров шести самосвалов КАТ-785С в Ковдорском ГОКе за 13 966 рейсов и 58 самосвалов КАТ–785 в Навоийском ГМК в течение 6 месяцев работы показал, что время движения самосвалов КАТ-785С с грузом и без груза составляет 40% и 23% от времени рабочей смены соответственно, а суммарное время погрузки, разгрузки, простоев порожнего и грузового самосвалов в эксплуатации достигает 37%.

Примеры изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя (n, мин-1), скорости движения самосвала КАТ-785 (V, км/ч), литрового расхода топлива GТ (л/ч), температур ОГ (tОГ °С) и ОЖ (tОЖ °С) автосамосвала КАТ-785В при работе на разных маршрутах в Ковдорском карьере в зависимости от времени езды (Т, мин) даны на рис. 1. Изучение фактического изменения содержания вредных веществ (ВВ) в воздухе кабин самосвалов, оснащенных системами кондиционирования и салонными фильтрами, в процессе ездового цикла позволяет сделать оценку уровней опасности вредного воздействия карьерных самосвалов на водителей на всех этапах ездового цикла. Они говорят о том, что загрязнение воздуха рабочей зоны (в кабинах) до 2–2,5 раз больше фонового загрязнения атмосферы карьера, превышение ПДКрз происходит по диоксиду азота (NO2), NOx и ТЧ.


Рисунок 1. Изменение основных параметров самосвалов КАТ -785 в течение ездового цикла. Условные обозначения: (.…) — фоновое загрязнение воздуха; (ооо) — загрязнение воздуха снаружи кабины; (ххх) — загрязнение воздуха в кабине; ПДКрз — предельно допустимая концентрация вредных веществ (ВВ) в воздухе рабочей зоны.

Наибольшее загрязнение воздуха рабочей зоны водителя имеет место при погрузке самосвала породой, при подъезде и выезде самосвала от места погрузки. Расход топлива при движении самосвала с грузом в 20 раз больше, чем при погрузке, в то время как содержание NOx и др. ВВ в воздухе кабины при движении самосвала с грузом составляет в среднем 63% от их содержания в воздухе кабины в период погрузки. Т.е. корреляция между выбросом ВВ в отработавших назах (ОГ) дизеля и расходом топлива, используемая в ряде методик при оценке экологической безопасности горной автотранспортной техники, в отношении загрязнения воздуха рабочей зоны отсутствует.

Дальнейшее изучение причин загрязнения воздуха в кабинах самосвалов показало, что оно увеличивается:

• при снижении скорости движения самосвала;

• при наличии впереди идущего одного или группы самосвалов;

• при уменьшении расстояния до впереди идущего самосвала.

Установлено также многократное превышение ПДКрз по NOх и ТЧ от 2-х до 5-ти раз в воздухе кабин экскаваторов, буровых станков, бульдозеров в открытых карьерах. Превышение ПДКрз по NOх, ТЧ, формальдегида (СН2О) и акролеина (C3H4O) имеет место на участках проведения ТО и ТР, в местах парковки, заправки топливом горной автотранспортной техники, др. местах с ограниченным воздухообменом.

Разработка мероприятий по снижению вредного воздействия карьерных самосвалов на рабочий персонал не может проводиться без методик оценки их эффективности, в т.ч. на отдельных операциях работы. Действующие методики оценки экологической безопасности автомобильного транспорта (АТ), включая методики оценки по жизненному циклу, основанные на нормативных документах по ограничению удельных выбросов ВВ в ОГ дизелей и на ПДКрз, не совпадают между собой по номенклатуре основных нормируемых ВВ, в частности, не учитывают содержание в кабине основных загрязнителей воздуха рабочей зоны — NO2 и ТЧ. На основании вышеизложенного была разработана методика оценки «комплексной экологической безопасности АТ в условиях эксплуатации» (КЭБУЭ), которая предназначена для оценки уровня загрязненности воздуха рабочей зоны в кабинах АТ.

Методология КЭБУЭ базируется на следующих основных положениях:

1. Методика КЭБУЭ производит оценку степени фактического загрязнения воздуха рабочей зоны (кабины АТ) по отношению к ПДКрз.

2. Номенклатура учитываемых ВВ для воздуха рабочей зоны принимается следующей: NO2 и NO раздельно, СО, ТЧ, СН2О, C3H4O.

3. Оценка вредного воздействия ГАТ на человека учитывает не только замеренные уровни загрязнения воздуха ВВ, но и время их экспозиции.

В методике не учитывается содержание в воздухе NOх, дисперсных частиц (ДЧ) и СНх, по следующим причинам:

• более строгим вместо NOх является учет NO2 и NO;

• ДЧ, содержащиеся в дизельных ОГ, входят в состав учитываемых ТЧ;

• СНх не учитываются ввиду того, что их содержание в воздухе рабочей зоны в карьерах и рудниках не превышает 10% от ПДКрз СНх.

В соответствии с разработанной методикой приведенный показатель вредного воздействия ВВ (В–ВВ) воздуха рабочей зоны на рабочий персонал оценивается через величину приведенной токсичности воздуха рабочей зоны (Сiрз), количество воздуха, вдыхаемого работающим (VВВ) за расчетный период времени (час, цикл, рабочая смена, сутки и т.д.), время экспозиции (t — час, цикл, рабочая смена, сутки и т.д.), и рассчитывается по формуле:


где: n — число технологических операций, выполняемых горнотранспортной техникой (для карьерных самосвалов их 4: погрузка, движение с грузом, разгрузка, движение без груза).


где: Ск — концентрация к-го ВВ в воздухе рабочей зоны, aк — коэффициент относительной агрессивности к-го ВВ.

При оценке вредного воздействия загрязненного воздуха по параметру приведенной токсичности, которая оценивается через СО, коэффициент aк рассчитывается по формуле: aк = ПДКрзСО / ПДКрзк, где ПДКрзСО и ПДКрзк — предельно допустимые концентрации в рабочей зоне СО и конкретного ВВ соответственно.

Для принятой номенклатуры приоритетных ВВ (NO2 , NO, СО, ТЧ, СН2О, C3H4O) значения aк равны:

aNO2 = 20 / 2 = 10; aNO = 20 / 9,4 = = 2,12; aСO = 20 / 20 = 1; aТЧ = 20 / 2 = 10;
aСН2O = 20 / 0,5 = 40; aС3Н4O = 20 / 0,2 = 100.

В этом случае вредное воздействие воздуха в кабине самосвала с учетом доли времени работы самосвала на каждой из 4-х характерных операций в течение 1-го часа выражается формулой:


где: CТЧср и т.д. — усредненные значения концентраций каждого из ВВ в воздухе кабины водителя в течение каждой операции работы самосвала.

Расчет по данной методике позволяет производить оценку вредного воздействия воздуха рабочей зоны (кабины) в целом, по отдельным операциям работы самосвала, и удельную долю опасности каждого ВВ на отдельных операциях работы самосвала (табл. 1).

Таблица 1. Оценка вредного воздействия загрязненного воздуха в кабине самосвала САТ -785 на водителя.


Расчеты по методике показали, что приведенная токсичность воздуха в кабине наибольшая при погрузке самосвала, в 1,75 раз ниже — при движении самосвала с грузом, в 2,15 раз меньше — при движении самосвала без груза и в 3,6 раза меньше на операции разгрузки. С учетом относительной продолжительности отдельных операций наибольшая доля величины вредного воздействия АТ на водителя приходится на операцию движения самосвала с грузом и составляет 41,7% от величины вредного воздействия за 1 час работы (ездовой цикл и т.д.), при погрузке — 28,5%, при движении без груза — 19,2% и при разгрузке — 10,6%. Основная доля вредного воздействия приходится на NO2 и ТЧ (от 60,4% до 88,1% на всех операциях).

Специально проведенные измерения показали, что содержание органической фракции в пыли, отобранной из воздуха кабины самосвала, не превышает 3%. С учетом этого из данных табл. 1 следует, что доля вредного воздействия органической фракции дисперсных частиц, содержащихся в ОГ, на водителя на всех технологических операциях самосвала составляет от 1,0 до 1,5%, СО — от 8,6 до 9,6%. Необходимо отметить долю вредного воздействия ТЧ (без органической фракции), содержащихся в воздухе кабины, которая равна 29-48% от суммарного вредного воздействия нормируемых в воздухе рабочей зоны ВВ на разных технологических операциях работы самосвала, источниками которых не являются ОГ двигателя.

Конкретные ВВ при работе АТ по мере убывания их удельной доли в приведенной токсичности воздуха рабочей зоны по сумме всех технологических операций самосвала ранжируются в следующем порядке: NO2, ТЧ, СО, СН2О, NO, С3Н4О. Отсюда следует, что дальнейшее ужесточение норм по удельным выбросам СО, СНх и ДЧ в ОГ дизелей с уровня норм Евро-3 до требований Евро-4 — Евро-5 не дает значимого результата, т.к. определяющими по загрязнению воздуха в кабине являются ТЧ и NO2.

Из приведенных данных следует, что при разработке отдельных и комплексных средств и методов снижения токсичности и дымности ОГ дизелей вместе с требованиями обеспечения высоких эффективности, ресурса, минимальных весогабаритных показателей разрабатываемых средств и методов необходимо задавать дополнительные требования, а именно:

• наряду со снижением удельных выбросов ВВ при работе ГАТ требуется дополнительная эффективная очистка ВВ в воздухе рабочей зоны (в кабинах);

• снижению подлежат как удельные выбросы ВВ в ОГ дизелей, так и выбросы ВВ в ОГ при работе двигателей на холостых оборотах и малых нагрузках;

• необходима разработка средств и методов поддержания величин выбросов ВВ в ОГ ГАТ в процессе эксплуатации на уровне исходных (начальных).

Исследование влияния условий эксплуатации карьерных самосвалов на загрязнение воздуха кабин водителей

Кутенев В.Ф., д.т.н. / Сайкин А.М., к.т.н. / ФГУП «НАМИ»

Статья посвящена исследованиям влияния условий эксплуатации карьерных самосвалов на загрязнение воздуха в кабинах водителей. Разработана методика оценки комплексной экологической безопасности автотранспорта в условиях эксплуатации, предназначенная для оценки уровня загрязненности воздуха рабочей зоны в кабинах АТ . Сделаны выводы о необходимости дополнительной эффективной очистке воздуха кабин, о снижении выбросов ВВ при работе двигателей на холостом ходу и при малых нагрузках, а также о необходимости разработки средств и методов поддержания величин выбросов В процессе эксплуатации на уровне начальных.

RESEARCH OF IMPACT SERVICE CONDITIONS OF CAREER DUMP TRUCKS ON AIR POLLUTION IN CABINS OF DRIVERS

Kytenev V., PhD., Sayikin A., Dr., FSUE “NAMI”

Article is about researches of impact of service conditions of career dump trucks on air pollution in cabins of drivers. The method of estimation of ecological safety of transport in cabin working zone under operating conditions is developed. Conclusion is that additional effective clearing of air of cabins, drop of blowouts В at work of engines idling and at small loadings, and also that methods of holding of BB blowouts at level of the initial are necessary.