Моделирование в охране труда

Москва 2022

М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра техносферной безопасности

Е.П. Потоцкий

МОДЕЛИРОВАНИЕ В ОХРАНЕ ТРУДА

Практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4385

УДК 628.5:004.942 
 
П64

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. Е.А. Калашников

Потоцкий, Евгений Павлович.
П64  
Моделирование в охране труда : практикум / Е.П. Потоцкий. – Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 
2022. – 78 с.

Практикум относится к основной литературе по курсу «Моделирование в охране труда» и соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Моделирование в охране труда». 
Приведены методики моделирования средств защиты от опасных 
и вредных производственных факторов, в основном металлургического производства. Рассматриваются модели, созданные в среде 
Microsoft Visual Studio, которые можно использовать дистанционно, а также модели, разработанные с применением операционной 
системы Windows, реализуемые в дисплейном классе кафедры техносферной безопасности.
Предназначен для обучающихся в магистратуре по направлению подготовки 20.04.01 «Техносферная безопасность».

УДК 614.8.084

 Потоцкий Е.П., 2022
 НИТУ «МИСиС», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .................................................................. 4
Практическая работа 1. Моделирование естественной 
вентиляции производственных помещений ........................ 6
Практическая работа 2. Моделирование вытяжного  
зонта ........................................................................... 22
Практическая работа 3. Моделирование бортового отсоса ... 32
Практическая работа 4. Моделирование защитного 
заземления .................................................................. 40
Практическая работа 5. Моделирование зануления ........... 48
Практическая работа 6. Моделирование средств защиты 
от электромагнитного излучения .................................... 57
Практическая работа 7. Моделирование средств защиты 
от ионизирующего излучения ......................................... 63
Библиографический список ............................................ 72
Приложение. Теоретические основы 
математического моделирования .................................... 73

ПРЕДИСЛОВИЕ

Повышение технического уровня производства зачастую сопровождается усилением воздействия на работников опасных 
и вредных производственных факторов различной физической 
природы. Для оценки риска повреждения здоровья персонала 
в условиях действия конкретных опасных и вредных производственных факторов, а также разработки мер защиты от них, 
применяются различные подходы. При большинстве подходов 
используются результаты измерений значений опасных и вредных производственных факторов на рабочих местах персонала, 
иногда оценки экспертов.
Одним из механизмов обеспечения безопасных условий труда является разработка средств защиты от опасных и вредных 
производственных факторов. В связи с этим в рамках учебного 
плана подготовки магистров реализуется изучение дисциплины, связанной с созданием математических моделей средств защиты от данных производственных факторов.
Моделирование работы производственного оборудования позволяет спрогнозировать условия труда в рабочей зоне персонала 
и рассчитать оптимальные параметры устройств защиты от существующих в этих зонах опасных и вредных факторов.
Практикум состоит из семи практических работ. Они посвящены применению математических моделей средств защиты 
от одного из опасных или вредных факторов производственной 
среды, причем эти работы могут быть проведены независимо 
друг от друга. Практические работы включают цель работы, теоретическое введение и математическое описание объекта защиты, порядок проведения работы, требования к отчету о выполнении работы, контрольные вопросы. В приложении содержатся 
краткие сведения по теории математического моделирования.
В задачи обучающегося при выполнении компьютерного 
эксперимента входит уяснение и отражение в отчете о выполнении практической работы следующих моментов:
– целевой функции математической модели согласно первому уравнению систем уравнений (П.1) или (П.2), приведенных в приложении; при этом необходимо иметь в виду, что целевая функция конкретной модели связана с непревышением 

нормативного значения (например, предельно допустимого 
уровня) при защите от данного опасного или вредного фактора; экстремум целевой функции в математических моделях 
в области охраны труда – достижение максимально возможного в данных условиях улучшения условий труда;
– наиболее значимых входных и выходных переменных объекта исследования; областей значений переменных, в пределах 
которых осуществлялось исследование объекта;
– математическое описание объекта исследования с использованием материала, приведенного в практикуме или других источниках, в том числе из библиографического списка;
– область возможного применения данной математической 
модели.
Практикум предназначен для проведения практических занятий по курсу «Моделирование в охране труда» и может быть 
использован обучающимися при самостоятельном проведении 
исследований (при выполнении курсовых работ и выпускной 
квалификационной работы). Моделирование устройств защиты 
от опасных и вредных производственных факторов способствует закреплению теоретических знаний по курсу «Моделирование в охране труда».
Автор выражает признательность В.А. Осадчему за поддержку при реализации моделей на ЭВМ и А.В. Кандрашиной за помощь при оформлении практикума.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1 
Моделирование естественной 
вентиляции производственных 
помещений

1.1. Цель работы

При заданных параметрах производственного помещения 
и тепловыделяющего оборудования рассчитать площади приточных и вытяжных аэрационных проемов производственных 
помещений, при которых температура воздуха на рабочих местах не превышает допустимых значений для работ соответствующих категорий тяжести.

1.2. Теоретическое введение

Вентиляция производственных помещений – это совокупность мероприятий и устройств, необходимых для обеспечения 
заданного качества воздушной среды в рабочих помещениях. 
По способу перемещения воздуха вентиляция может быть естественной и с механическим побуждением (механической).
Естественная вентиляция – это вентиляция, при которой 
воздухообмен происходит за счет разности температур наружного воздуха и в помещении под влиянием теплового напора. 
Естественная вентиляция производственных помещений может быть: неорганизованной и организованной.
Неорганизованная естественная вентиляция осуществляется за счет поступления и удаления воздуха через окна, форточки, фрамуги, специальные проемы, а также через неплотности 
наружных ограждений (инфильтрация).
Организованная (регулируемая) естественная вентиляция 
производственных помещений называется аэрацией. Она осуществляется с помощью аэрационных фонарей. При отсутствии аэрационных фонарей естественная вентиляция может 
быть улучшена с помощью специальных каналов или шахт. 
В целях повышения эффективности ветрового напора эти 
шахты снабжаются специальными насадками – дефлекторами. Часто применяется смешанная вентиляция – аэрация со

вместно с использованием систем механической вентиляции 
(рис. 1.1).
Общеобменная вентиляция применяется в тех случаях, когда вредные вещества, избыточная теплота и влага выделяются 
рассредоточено по всему рабочему помещению и удалить их с помощью местных отсосов не представляется возможным. Принцип действия общеобменной вентиляции основан на разбавлении загрязненного, перегретого или переувлажненного воздуха 
до уровней, соответствующих гигиеническим нормативам.

Рис. 1.1. Схема вентиляции однопролетного здания в теплый 
период года: h1, h2 – отметки центров аэрационных проемов; 
v – скорость ветра; 1, 4 – приточные аэрационные проемы; 
2, 3 – вытяжные аэрационные проемы; Gп, Gу – аэрационные 
расходы по притоку и вытяжке; G′п, G′у – расходы механической вентиляции

Основные расчетные зависимости
В основу расчета положены воздушный и тепловой балансы:

 
п
у
п
у
0;
G
G
G
G
′
′
−
+
−
=
∑
∑
∑
∑
 
(1.1)

 
я
п
р п
у
р у
п
р п
у
р у,
Q
G C t
G C t
G C t
G C t
′
′ ′
′
′ ′
=
−
+
−
∑
∑
∑
∑
 
(1.2)

где Gп и Gу – расход соответственно поступающего и удаляемого из помещения воздуха естественной вентиляции, кг/с; 
G′п и G′у – расход соответственно поступающего и удаляемого из помещения воздуха механической вентиляции, кг/с; 
Qя – избыток явной теплоты, определяемый как разность 
тепловых потоков от всех источников и теплопотерь при 
расчетных значениях параметров наружного воздуха, Вт; 
Ср – теплоемкость воздуха, в расчетах принимаемая равной 1,2 кДж/(м3⋅°С); 
tп, t′п – температура приточного воздуха естественной и механической вентиляции соответственно, °С; 
tу, t′у – температура удаляемого воздуха естественной и механической вентиляции соответственно, °С.

Путем решения системы уравнений (1.1), (1.2) при известных значениях G′п и G′у можно найти необходимые расходы воздуха Gп и Gу.
Площадь приточных Fп и вытяжных Fв аэрационных проемов определяется из следующих соотношений:

 
п
п
п
п
п
у
в
в
у
в
2
; 
2
,
G
F
p
G
F
p
=
m
r D
=
m
r D
 
(1.3)

где mп, mв – коэффициент расхода воздуха в приточных и вытяжных проемах соответственно, определяемый по 
табл. 1.1 и 1.2 в зависимости от их типа и угла открытия 
створок; 
Dрп, Dрв – перепад давления соответственно в приточных 
и вытяжных проемах по отношению к атмосферному давлению внутри помещения р0, Па.

Сумма Dрп и Dрв представляет собой перепад давления Dр 
между местами входа и выхода аэрационного воздуха в помещении, который определяется по формуле

 
(
)(
)
п
в
2
1 ,
р
q
h
h
D =
r −r
−
 
(1.4)

где q – ускорение свободного падения, м/с2; 
rп, rв – плотность воздуха соответственно в приточных 
и вытяжных проемах, кг/м3; 
h1, h2 – отметки центров аэрационных проемов, м.