Equipment for mobile power unit cab protection from insolation

Abstract

The paper presents the analysis of equipment protecting the cab and operator of mobile power unit from high insolation. Special attention is payed to the combination of thermophysical properties of protection devices, including the capacities of reflection, thermal insulation and heat removal. A number of patented designs improving working conditions is proposed.

Full Text

Один из мощнейших факторов внешнего негативного воздействия на оператора МЭС - переизбыток солнечного излучения (инсоляции), объясняемый такой характерной особенностью типовых технологий в агропромышленном комплексе (АПК), как открытость. Потоки лучистой солнечной энергии падают на поверхности машины, обращенные к Солнцу, достигая в ясную погоду в средних широтах России 850-900 Вт/м2. Металл кабины и облицовка, имеющие теплопроводность 45-50 Вт/(м∙К) [1], интенсивно пропускают теплоту внутрь, развивая естественную конвекцию, которая при включении вентилятора может стать вынужденной конвекцией. Негативное воздействие на оператора МЭС оказывает не только конвективный фактор. Светопрозрачные проемы пропускают видимую часть спектра, которая поглощается внутренними атрибутами кабины МЭС, включая тело оператора, и усваивается ими в виде теплоты перегрева. Причем ввиду высокой степени остекления кабин МЭС традиционных конструкций, вероятность стопроцентного попадания прямых лучей на тело оператора с какой-либо стороны весьма велика в течение нескольких часов работы, когда оператор не может укрыться в тени, находясь внутри кабины. Кроме того, попавший внутрь кабины лучистый поток преобразуется в инфракрасную теплоту, излучаемую на оператора, и если она не рассасывается системой кондиционирования, усугубляет его термическое перенапряжение [2]. Третий фактор отрицательного воздействия инсоляции на оператора МЭС - условное ослепление при фронтальном ракурсе кабины относительно Солнца. Воздействие этого фактора может представляться косвенным, но на самом деле весьма значимо с точки зрения охраны труда и производственной санитарии. Достаточно отметить, что «слепящий» фактор разрушает сетчатку глаза, вызывает атрофию зрительного нерва, а также значительно притупляет внимание к технологическим работам и дорожным условиям. В ясную погоду этот фактор действует постоянно, с утра до заката Солнца. Цель данной работы - привлечь внимание конструкторов и производителей мобильных энергетических и транспортных средств к вопросам проектирования кабин и всесторонней аналитической оценке условий работы операторов. Основная техническая задача - предложить конкретные устройства и решения, позволяющие заметно снизить термическую нагрузку от инсоляции на кабину и оператора с одновременным облегчением работы кондиционирования и нормализацией микроклимата в объеме кабины. Улучшение условий труда в АПК, на транспорте, лесной, перерабатывающей промышленности и так далее - важнейшая научная задача. При ее решении особое внимание следует уделить именно защите от термоперегрузок, среди которых наиболее весомую часть составляет инсоляция. Покрытия, предназначенные для ограничения инсоляции, должны отражать падающий поток, изолировать его, существенно затормаживая прохождение потока теплоты внутрь кабины, и при возможности откачивать определенное количество теплоты за счет встроенных приспособлений. Такое покрытие по свойствам близко к идеализированному. Предлагается солнцезащитное покрытие крыши кабины транспортного средства [пат. РФ № 112100; рис. 1]. На поверхность крыши кабины с внутренней изоляцией и обивкой накладывается слой пористого материала с гидрофильными свойствами: смачиваемостью не менее 80% по сравнению со смачиваемостью стекла, пористостью 30% и более, влагоемкостью не менее 80-100%. Внутри этого слоя проложены трубки с отверстиями для подачи воды насосом из бака. Над слоем смонтирован лист из теплопроводного материала (λ =10 Вт/(м·К) и более), имеющий отверстия с приподнятыми краями. На эти края насажены первичные полые колпачки (рис. 2), выполненные из антифрикционного материала, обеспечивающего надежную подвижность надетых на них вторичных полых колпачков. Они имеют поперечный по отношению к покрытию и продольный каналы для прохода паров влаги и воздуха соответственно (на рис. 2 показано стрелками). Продольные каналы имеют конические вставки, создающие сопловой эффект подсасывания паров влаги, испаряющейся с поверхности материала. Вторичные колпачки имеют стабилизирующие выступы флюгерного типа для ориентации вдоль потока воздуха. Сверху покрытия расположен экран с отражающей поверхностью. Перфорированный лист (см. рис. 1) отстоит от пористой накладки на расстоянии h, примерно равном 1/3 ее толщины, что при пористости накладки 30% и более необходимо для организации близкого к оптимальному парового пространства. При движении транспортного средства или при наличии ветра для неподвижного объекта в продольных каналах перемещается воздух, ускоряющийся в соплах и подсасывающий пар по каналам. Смесь паров и воздуха выходит с противоположной стороны, охлаждая за счет конвекции лист, колпачки и внутреннюю поверхность экрана. Поверхность кабины и обивка охлаждаются теплопроводностью через накладку за счет теплоты фазового перехода при испарении воды с поверхности и частично из объема пор. Направление колпачков ориентируется по потоку выступами, что повышает эффективность охлаждения. Для стационарных объектов возможен вариант с установкой вентилятора (одного или нескольких), подающего наружный воздух под экран в сужающиеся сопловые каналы. В этом случае эффект эжекции колпачков должен усилиться. Покрытие может быть выполнено съемным, например для его промывки в проточной воде без детальной разборки (за исключением снятия экрана и колпачков). В холодный период сухое покрытие однозначно повышает теплоизоляцию крыши. Еще более простое и недорогое солнцезащитное покрытие [пат. РФ № 138186; рис. 3] состоит из многослойной (минимум трехслойной) накладки, внутренний слой которой имеет пористость порядка 20-30%, размер пор 200-500 мкм, фитильность (высоту капиллярного поднятия) не менее 250-300 мм. Средний слой имеет пористость порядка 40-50% и размер пор примерно 0,8-1 мм. Внешний слой обладает максимальной пористостью и повышенной паропроницаемостью, что обеспечено объемной пористостью не менее 75-80% и размером пор 1,5-3 мм. Покрытие снабжено быстросъемными фиксирующими устройствами, имеющими мягкие поверхности и контактирующими с ручками дверей трактора или другого транспортного средства. Оно должно иметь конфигурацию, соответствующую индивидуальной геометрии кабины, и обладать облегающим свойством, покрывая все светопрозрачные проемы в случае стояния МЭС на солнцепеке. Описанное солнцезащитное покрытие дополняется принципиальной электрической схемой (рис. 4) управления и регулирования процесса охлаждения кабины. Она включает фотоэлементный датчик инсоляции (типа радиометра) и датчик температуры воздуха в кабине, к которым присоединяются элементы сравнения (например релейного, каскадного или другого типа), реле времени и типовые атрибуты электропривода насоса. Электронная система управления своими элементами сравнения включается в разность температур внутри и снаружи и регулирует моменты увлажнения нижнего слоя, приводя в действие насос. При интенсивной инсоляции или повышенной температуре внутри салона возникает рассогласование сигналов задатчиков, присоединенных к элементам сравнения, и текущих сигналов. Сигналы рассогласования обрабатываются элементами сравнения и идут на реле времени, формирующее длительность включения насоса, который подает влагу под внутренний слой покрытия. Капиллярные свойства внутреннего слоя поднимают влагу до поверхности крыши на всей ее площади. Движение окружающей среды (ветер), а также свойства среднего и верхнего слоев перемещают влагу изнутри к поверхности и испаряют ее. Возникает эффект водоиспарительного охлаждения. По истечении импульса реле времени или при достижении нулевого сигнала рассогласования между уровнями текущих сигналов и задатчиков действие насоса прекращается до следующего аналогичного момента. Кроме непосредственного падения радиационного потока на крышу трактора, значительная составляющая инсоляции - радиация, проникающая через светопрозрачные проемы. Защита кабин тракторов от проникающей радиации выполняется преимущественно тонированием стекол и использованием жалюзи. У каждого из этих способов есть достоинства и недостатки, однако для плоских стекол применение жалюзи предпочтительнее, поскольку практически не снижает зрительного восприятия объекта при непосредственном выполнении работы. Наиболее удобны в эксплуатации автоматические жалюзи, плоскости пластин которых совпадают с направлением визирных линий. Одно из первых предложений, учитывающих такую необходимость, - устройство для защиты кабины транспортного средства от солнечного излучения [пат. РФ № 330994]. Основной недостаток таких жалюзи заключается в том, что они неподвижны и имеют одинаковую длину, что приводит к неполному перекрытию солнечного потока при максимальной инсоляции. С учетом указанного недостатка предложено устройство для защиты кабины от инсоляции с помощью жалюзи [пат. РФ № 96819]. Жалюзи представляют собой светлые пластины, на концах которых находятся винты, входящие в пазы. С обеих сторон они крепятся болтами с возможностью регулирования вращением и передвижением жалюзи при ослаблении гаек винтовых соединений. На рис. 5 представлена i-я створка жалюзи с геометрическими параметрами. Угол при вершине А - это угол φi между остеклением кабины и линией взгляда водителя; угол при вершине В - это угол γ между остеклением кабины и солнечным лучом; li - длина i-й створки жалюзи. По теореме синусов можно определить оптимальную длину жалюзи на каждом из участков: , (1) где t - шаг расположения оснований пластин жалюзи; γ - угол между остеклением и солнечным лучом, образующийся при минимальном угле падения лучей к горизонту; Ri - расстояние от точки зоны глаз водителя до плоскости остекления. На рис. 6 представлена более совершенная система защиты кабины от солнечного излучения с помощью подвижных жалюзи с автоматическим приводом. Устройство состоит из набора звеньев кинематической цепи, представляющих собой зубчатые шкивы, с которыми жестко соединены валики планок жалюзи. Шкивы охватываются зубчатым ремнем, причем шкив наименьшего диаметра - ведущий. Положение планок жалюзи совпадает с визирными линиями, выходящими из глаза оператора. Валики планок жалюзи максимально приближены к плоскости стекла с целью снижения количества энергии солнечных лучей, проникающих через стекло. Для этого половина геометрической ширины привода убирается в углубления стойки. Каждый шкив жестко связан с планкой жалюзи. Любая планка поворачивается при действии привода так, что в разных положениях открывает оператору разные обзоры панорамы. Наиболее важны положения с максимальной обзорностью, когда планка жалюзи совпадает с визирными линиями (полями). В этом случае помехообразующий фактор состоит лишь из проекций на поле зрения суммы толщин планок. Это положение наиболее важно при движении МЭС со средними и максимальными скоростями, а также при выполнении технологических процессов, требующих особо тщательного визуального контроля. Сюда же относятся нюансы маневрирования при остановках, парковках и т.п. Второе особое положение жалюзи - позиция «полное закрытие», когда важно снизить инсоляцию до минимально возможной, например на стоянках. Тогда привод обеспечивает шаговым ограничением положение всех створок строго параллельно стеклу. Исходя из геометрических соображений, отношение диаметров, определяющих общее максимальное передаточное число, представлено формулой ; отношение стоящих рядом диаметров, которое назовем текущим передаточным отношением, равно . После подстановки получаем: ; (2) . (3) где ij - текущее передаточное отношение последующего диаметра Dj+1 к предыдущему Dj ; α - угол между горизонтом и плоскостью стекла; h - высота зрачка глаза от горизонта, проходящая через нижний обрез стекла; t - шаг размещения жалюзи по образующей стекла; j - текущий индекс жалюзи; n - число шагов. Оператор либо включает электромеханический привод шкива (см. рис. 6), либо поворачивает приводной шкив на такой угол, который соответствует определенному положению. Положение, обеспечивающее максимальную обзорность, используется при выполнении основных технологических операций, положение «полностью закрыто» - при стоянке транспортного средства с целью недопущения перегрева элементов кабины. Третье положение, которое зависит от уровня солнцестояния и погоды, определяется субъективным желанием оператора. Возможно расположение жалюзи на внешних поверхностях стекол, например боковых, не имеющих стеклоочистителей. Выводы 1. С целью улучшения условий труда операторов МЭС предлагается уделять повышенное внимание мероприятиям по защите от тепловых перегрузок, предшествующим кондиционированию воздуха в объеме кабины и обеспечивающим его успех. 2. Предложены технические решения, реализующие водоиспарительный эффект охлаждения крыши кабины и других поверхностей транспортных средств и в то же время выполняющие функцию тепловых изоляторов, снижающих теплопередачу внутрь. 3. Предложены кинематические схемы жалюзи, даны формулы для определения эффективности жалюзи и передаточных чисел приводов.