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 дистанцион-
но, а также модели, разработанные с применением операционной 
системы Windows, реализуемые в дисплейном классе кафедры тех-
носферной безопасности.
Предназначен для обучающихся в магистратуре по направле-
нию 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 со-
провождается 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 произ-
водственных факторов, а также разработки мер защиты от них, 
применяются различные подходы. При большинстве подходов 
используются результаты измерений значений опасных и вред-
ных производственных факторов на рабочих местах персонала, 
иногда оценки экспертов.
Одним из механизмов обеспечения безопасных условий тру-
да является разработка средств защиты от опасных и вредных 
производственных факторов. В связи с этим в рамках учебного 
плана подготовки магистров реализуется изучение дисципли-
ны, связанной с созданием математических моделей средств за-
щиты от данных производственных факторов.
Моделирование работы производственного оборудования по-
зволяет спрогнозировать условия труда в рабочей зоне персонала 
и рассчитать оптимальные параметры устройств защиты от су-
ществующих в этих зонах опасных и вредных факторов.
Практикум состоит из семи практических работ. Они посвя-
щены 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, те-
оретическое введение и математическое описание объекта защи-
ты, порядок проведения работы, требования к отчету о выполне-
нии 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 выпол-
нении практической работы следующих моментов:
– целевой функции математической модели согласно пер-
вому уравнению систем уравнений (П.1) или (П.2), приведен-
ных в приложении; при этом необходимо иметь в виду, что це-
левая функция конкретной модели связана с непревышением 

нормативного значения (например, предельно допустимого 
уровня) при защите от данного опасного или вредного факто-
ра; экстремум целевой функции в математических моделях 
в области охраны труда – достижение максимально возможно-
го в данных условиях улучшения условий труда;
– наиболее значимых входных и выходных переменных объ-
екта исследования; областей значений переменных, в пределах 
которых осуществлялось исследование объекта;
– математическое описание объекта исследования с ис-
пользованием материала, приведенного в практикуме или дру-
гих источниках, в том числе из библиографического списка;
– область возможного применения данной математической 
модели.
Практикум предназначен для проведения практических за-
нятий 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 способству-
ет закреплению теоретических знаний по курсу «Моделирова-
ние в охране труда».
Автор выражает признательность В.А. Осадчему за поддерж-
ку при реализации моделей на ЭВМ и А.В. Кандрашиной за по-
мощь 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 при-
точных и вытяжных аэрационных проемов производственных 
помещений, при которых температура воздуха на рабочих ме-
стах не превышает допустимых значений для работ соответ-
ствующих категорий тяжести.

1.2. Теоретическое введение

Вентиляция производственных помещений – это совокуп-
ность мероприятий и устройств, необходимых для обеспечения 
заданного качества воздушной среды в рабочих помещениях. 
По способу перемещения воздуха вентиляция может быть есте-
ственной и с механическим побуждением (механической).
Естественная вентиляция – это вентиляция, при которой 
воздухообмен происходит за счет разности температур наруж-
ного воздуха и в помещении под влиянием теплового напора. 
Естественная вентиляция производственных помещений мо-
жет быть: неорганизованной и организованной.
Неорганизованная естественная вентиляция осуществляет-
ся за счет поступления и удаления воздуха через окна, форточ-
ки, фрамуги, специальные проемы, а также через неплотности 
наружных ограждений (инфильтрация).
Организованная (регулируемая) естественная вентиляция 
производственных помещений называется аэрацией. Она осу-
ществляется с помощью аэрационных фонарей. При отсут-
ствии аэрационных фонарей естественная вентиляция может 
быть улучшена с помощью специальных каналов или шахт. 
В целях повышения эффективности ветрового напора эти 
шахты снабжаются специальными насадками – дефлектора-
ми. Часто применяется смешанная вентиляция – аэрация со-

вместно с использованием систем механической вентиляции 
(рис. 1.1).
Общеобменная вентиляция применяется в тех случаях, ког-
да вредные вещества, избыточная теплота и влага выделяются 
рассредоточено по всему рабочему помещению и удалить их с по-
мощью местных отсосов не представляется возможным. Прин-
цип действия общеобменной вентиляции основан на разбавле-
нии 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 механиче-
ской 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 удаляемо-
го из помещения воздуха естественной вентиляции, кг/с; 
G′п и G′у – расход соответственно поступающего и удаляемо-
го 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 рав-
ной 1,2 кДж/(м3⋅°С); 
tп, t′п – температура приточного воздуха естественной и ме-
ханической вентиляции соответственно, °С; 
tу, t′у – температура удаляемого воздуха естественной и ме-
ханической вентиляции соответственно, °С.

Путем решения системы уравнений (1.1), (1.2) при извест-
ных значениях G′п и G′у можно найти необходимые расходы воз-
духа Gп и Gу.
Площадь приточных Fп и вытяжных Fв аэрационных про-
емов 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 вы-
тяжных 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 дав-
лению внутри помещения р0, Па.

Сумма Dрп и Dрв представляет собой перепад давления Dр 
между местами входа и выхода аэрационного воздуха в поме-
щении, 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.

Работа аэрации считается устойчивой при значении пара-
метра а = 1,2…1,3 и при условии

 
п
п
в
в,
F
aF
m =
m
 
(1.5)

т.е. эквивалентная площадь (произведение F на m) приточных 
проемов должна быть на 20…30 % больше для предотвраще-
ния «опрокидывание вытяжки».
В практикуме приведены только основные расчетные зави-
симости. Подробное описание методик расчета аэрации и сме-
шанной вентиляции производственных помещений с необходи-
мыми справочными материалами приведены в учебном пособии 
[1]. Эти методики составляют основу математического описания 
программного модуля «Aero», используемого в данном практи-
ческом занятии.

Таблица 1.1

Коэффициент mп расхода воздуха приточных аэрационных 
проемов

Номер 
створки 
(NS)
Тип створки
Конструкция 
створки
Зависимость mп от угла от-
крытия створки a1, град

1
Створка одинарная 
верхнеподвесная

2
Створка одинарная 
среднеподвесная

3
Створка двойная верхне-
подвесная

4
Створка двойная верхне- 
и нижнеподвесная

Таблица 1.2

Коэффициент mв расхода воздуха вытяжных аэрационных 
проемов (для П-образных вытяжных фонарей)

Номер 
фонаря 
(NF)
Конструкция П-образного фонаря
Зависимость mв от угла 
открытия створок фонаря 
a2, град
1
Без ветрозащитных 
панелей с верхнеподвес-
ными двухъярусными 
створками

2
С ветрозащитными па-
нелями с верхнеподвес-
ными двухъярусными 
створками

3
С ветрозащитными па-
нелями со среднеподвес-
ными двухъярусными 
створками

4
С ветрозащитными па-
нелями с двухъярусны-
ми створками на верти-
кальных осях

1.3. Порядок выполнения работы

Исходные данные для расчета вентиляции без учета ветро-
вого напора
Исходными данными для расчета с помощью программно-
го модуля «Aero» являются следующие параметры (табл. 1.3):
– размеры помещения (длина А, ширина В, м);
– количество (п) и размеры тепловыделяющего оборудова-
ния (длина а и ширина b или диаметр d; высота c, м);
– тепловыделения от каждого из n источников Qi и тепло-
поступления от других источников Qд, кВт;
– приход механической вентиляции G′п, кг/с;
– уход механической вентиляции G′у, кг/с;
– параметры приточных проемов – отметка центра проема 
h1, м, номер створки (NS) и угол открытия створок a1, град;

– параметры вытяжных проемов – отметка центра проема 
h2, м, номер фонаря (NF) и угол открытия створок фонаря a2, 
град.

Порядок проведения моделирования вентиляции без ветро-
вого напора
1. Для расчета аэрации на рабочем столе монитора ЭВМ в 
дисплейном классе кафедры откройте ярлык программного мо-
дуля «Aero».
2. В графе «Здание» задайте (по табл. 1.3) параметры дли-
ны А и ширины B помещения, отметки центров приточного h1 
и вытяжного h2 проемов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Ввод значений параметров здания и проемов

3. Для вычисления значения тепловыделения Q откройте 
вкладку «Добавить» и выберите опцию «Другое». В рабочем 
окне откроется диалоговое окно «Добавление источника вы-
делений» (рис. 1.3), в котором необходимо задать параметры 
источника согласно данным табл. 1.3:
– количество источников тепловыделения – n;
– температура внутри источника тепловыделения – tв.п;
– длина, ширина и высота источника – соответственно a, b, c;