Effectiveness of protection of mobile power unit cab from direct solar radiation


Cite item

Full Text

Abstract

For normalization of microclimate in the cabs of mobile power units, it is necessary to introduce a particular technology of solar protection. The modern cabs have a high degree of light transmission, which enables intensive irradiation of operator on all sides. It results in a hyperthermia leading to the adverse health consequences for operator. The insolation flow also has impact on the electronic equipment, plastic parts and various elements of the cab. The applied means of protection, such as tinted glasses, films, covers and curtains, could not completely solve the problem. The study aim is the analysis of intensity of insolation, assessment of its value in form of quantitative characteristics, and search of the ways of its neutralization by acceptable technical means. One of the rational means limiting the impact of insolation flow is the use of blinds. The blinds designed according to the proposed scheme are able to limit significantly the direct solar flux, providing simultaneously an acceptable visibility during the movement of mobile power unit. This is achieved by the positioning of slats of blinds in the direction of sighting lines at different angles. The major efficiency characteristic of blinds is the transmission bandwidth of direct beams. It shows the design efficiency and allows to quantify the value of transmitted solar flux. For assessment, the geometric approach is proposed. The quantitative relationships received in the course of calculations are compared with experimental geometrical measurements, having a very close convergence of numerical results. The evaluation of blinds effectiveness is presented in form of the protection factor indicating the value of reduction of direct insolation. The proposed protection has a high efficiency and reduces the direct insolation by 1,75-170 times.

Full Text

Введение Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое состояние человека, его профессиональные способности и последующие возможные заболевания [1-3]. Длительное воздействие высокой температуры, особенно при повышенной влажности, может привести к значительному накоплению теплоты в организме и перегреванию выше допустимого уровня - гипертермии. Нагретые поверхности излучают в пространство потоки лучистой энергии, приводящие к отрицательным последствиям. Под влиянием теплового облучения в организме происходят биохимические сдвиги, уменьшается кислородная насыщенность крови, понижается венозное давление, замедляется кровоток и, как следствие, появляются нарушения иммунитета, деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем. Установлено, что именно нарушения иммунитета, обусловленные инсоляцией, играют решающую роль в развитии злокачественных опухолей кожи у человека. При длительном воздействии солнечного потока возможно выделение высокомолекулярных полимеров, вызывающих онкологические заболевания [4]. В жаркие летние дни операторы мобильных энергетических средств (МЭС) подвержены интенсивной инсоляции, которая в определенные часы может восприниматься как изнуряющая и перегревающая. Интенсивная инсоляция нередко приводит к выгоранию обивки салона и лакокрасочного покрытия, перегреву и частичному оплавлению пластиковых деталей, затруднению управления рулевым колесом и другими элементами, выходу из строя панелей приборов радиоэлектронной аппаратуры и т.д. Перегрев радиоэлектронной аппаратуры влечет за собой отклонения параметров от допустимых значений, нарушения функции управления и нормальной работы агрегата в целом. Все это обусловливает необходимость установки защиты против инсоляции на наиболее подверженных ей поверхностях - стеклах, крыше, боковых панелях. Среди известных средств защиты одно из наиболее эффективных - пластинчатые жалюзи, установленные определенным образом и приводимые в действие соответствующими устройствами [5]. Другие средства защиты, такие как пленки, шторки, чехлы, козырьки, лишь ослабляют инсоляцию, но не нейтрализуют ее полностью. Цель исследования Цель исследования - привлечение внимания конструкторов и производителей мобильных энергетических и транспортных средств к вопросам проектирования кабин с применением солнцезащитных средств и всесторонней аналитической оценке условий работы оператора. Материалы и методы Основная техническая задача - предложение конкретной системы защиты от инсоляции, позволяющей заметно снизить термическую нагрузку на кабину и оператора с одновременным облегчением работы системы кондиционирования и нормализацией микроклимата в кабине. Жалюзи выбраны исходя из того, что такой способ защиты нейтрализует прямую инсоляцию, воздействующую непосредственно на поверхность тела оператора [6, 7]. Эффективность защиты может быть рассчитана достаточно простыми средствами через суммарную площадь полосы пропускания солнечных лучей, которая необходима для обеспечения нормального обзора по фронту движения МЭС. При любой конструкции жалюзи требуется обеспечить абсолютный визуальный контроль окружающей обстановки и минимизировать помехи. Этим требованиям соответствует конструкция жалюзи, представленная на рис. 1. Проектирование, конструирование и оценка эффективности такой системы защиты связаны с аналитическими расчетами ее функциональных способностей. Они оцениваются по суммарной ширине полос пропускания солнечных лучей всеми планками при положении наибольшей обзорности в зависимости либо от времени смены, либо от угла солнцестояния. Наиболее информативный аргумент - угол солнцестояния. Также следует учитывать многие факторы, снижающие постоянную солнечной активности до текущей, - влияние облачности, пыли, диффузионных явлений в атмосфере и т.д. Группу планок жалюзи, расположенных ниже горизонтали, проходящей через глаз оператора, условно назовем нижней группой, несколько планок около горизонтали - средней группой, остальные - верхней группой. Нумерация планок ведется снизу. Рассмотрим ширину полосы пропускания инсоляционного потока для нижней группы планок жалюзи, т.е. до определенной планки, которая занимает горизонтальное положение на линии, проходящей через глаз оператора. Ширину полосы пропускания инсоляции можно определить из рис. 2, а. На рис. 2, б рассмотрены две соседние планки жалюзи. Угол АВС = 180 - α - h0; угол ВАС = α - βj , где βj - угол наклона к горизонту j-й планки. Шаг между планками жалюзи обозначим как АD = t, тогда АС = kt, где k - коэффициент взаимного перекрытия планок (k > 1), который составляет k = 1,1. Угол АЕD = 180 - (ABC + BAC) = h0+βj . Из треугольника АDE Отсюда Угол наклона к горизонту любой планки может быть определен по формуле [5]: где a - расстояние от крайней нижней точки проекции перпендикуляра, опущенного из зрачка глаза оператора, до горизонтали, проведенной из этой точки; α - угол между горизонтом и плоскостью стекла; h - высота зрачка глаза от горизонта, проходящая через нижний абрис стекла; t - шаг размещения жалюзи по образующей стекла; j - текущий индекс жалюзи. Ширину fj полосы пропускания инсоляции можно определить из соотношения (см. рис. 2, а): fj = DF = ВD cosBDE = (АD - АВ) cosBDE. Из подобия треугольников АВС и АDE имеем . Исходя из свойств пропорции можно записать: , или . Отсюда Из треугольника ВDE угол BDE = 90 - BDF = 90 - (180 - α - h0) = α + h0 - 90; . С учетом угла наклона планок к горизонту βj получим ширину полосы пропускания солнечных лучей: . Результаты и их обсуждение Для трактора МТЗ-82 угол солнцестояния h0 = 30° (см. рис. 1), коэффициент перекрытия k = 1,1, угол между горизонтом и плоскостью стекла α = 80°. Принимаем: a = 890 мм - расстояние от крайней нижней точки проекции перпендикуляра, опущенного из зрачка глаза оператора, до горизонтали, проведенной из этой точки; h = 550 мм - высота зрачка глаза от горизонта, проходящая через нижний абрис стекла; t = 50 - шаг размещения жалюзи по образующей стекла. Рассчитаем ширину полосы пропускания солнечных лучей между 6-й и 7-й планками жалюзи, учитывая формулу (1). Угол наклона к горизонту β6-7 = 19,7°. Тогда ширина полосы пропускания составит: . В таблице представлены значения ширины полосы пропускания солнечных лучей в зависимости от угла солнцестояния h0. Ширина полосы пропускания солнечных лучей, мм, в зависимости от угла солнцестояния h0 Номера планок жалюзи Угол солнцестояния h0, град. 0 15 30 45 52,5 1-2 16 12,5 Нет просвета Нет просвета 2-3 18 14 3-4 22 15,5 4-5 24 16,5 5-6 29 20 3,8 6-7 31 21 4,2 7-8 33 22 4,8 8-9 37 24,5 7,5 9-10 41 28,5 10 10-11 43 29,5 11,5 11-12 46 34 14 12-13 Горизонталь 49 36 18 13-14 45 41 22 4 14-15 39 42 24,5 5 15-16 36 46 26 7 16-17 31 42 30 12 1,5 17-18 28 34 31,5 14 3,5 Сумма / длина стекла 568/850 484/850 208/850 42/850 5/850 Коэффициент пропускания 0,668 0,569 0,245 0,049 0,006 Коэффициент защиты Кз 1,49 1,75 4,08 20,3 170 Измерения непосредственно на тракторе МТЗ-82 показали f6-7 = 4,2 мм. В результате расчетов по приведенным формулам получена приемлемая сходимость с результатами графических определений. Для трактора МТЗ-82 проведенные расчеты с последующей графической проверкой показали существенные возможности такой системы защиты, как жалюзи. Как видно из таблицы, защита за счет жалюзи наиболее эффективна в полдень. Изменения ширины полосы пропускания солнечных лучей можно проследить по графику, представленному на рис. 3. Коэффициент защиты Кз - это отношение общей площади светопрозрачного покрытия к суммарной площади полосы пропускания прямых солнечных лучей при сохранении необходимого обзора по фронту движения. Величина коэффициента защиты Кз свидетельствует о снижении прямой инсоляции в 1,75-170 раз. Таким образом, предлагаемая защита высокоэффективна. Характерно, что ее эффективность резко возрастает по мере увеличения солнечной активности: чем выше энергетическая составляющая солнечной активности, тем эффективнее защита. Выводы 1. В рамках решения задачи по улучшению условий труда оператора МЭС предлагается уделить большее внимание мероприятиям по защите от тепловых перегрузок, предшествующим кондиционированию воздуха в кабине и обеспечивающим его успех. 2. Предложены кинематические схемы жалюзи и даны формулы для определения их эффективности. 3. Приведенная методика оценки эффективности системы жалюзи может быть распространена на различные климатические зоны России и самые разнообразные модели МЭС, используемые в широком диапазоне как сельскохозяйственных, так и других работ.
×

About the authors

O. I Polivaev

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: car205@agroeng.vsau.ru
DSc in Engineering Voronezh, Russia

I. B Zhuravets

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: car205@agroeng.vsau.ru
PhD in Engineering Voronezh, Russia

S. Z Manoylina

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: car205@agroeng.vsau.ru
PhD in Agriculture Voronezh, Russia

I. S Teslenko

Peter the Great Voronezh State Agrarian University

Email: car205@agroeng.vsau.ru
Engineer Voronezh, Russia

References

  1. Журавец И.Б., Цуцких Ю.В., Галкин Е.А. и др. Снижение теплового воздействия на оператора мобильных энергетических средств // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010, №1. С. 18-20.
  2. Журавец И.Б., Манойлина С.З., Попов Н.А. и др. Стабилизация баланса теплоты в кабине МЭС // Вестник ВГАУ. 2015, №1(44). С. 48-53.
  3. Поливаев О.И., Гребнев В.П., Ворохобин А.В. Теория тракторов и автомобилей: Учебник / Под общ. ред. О.И. Поливаева. СПб.: Лань, 2016. 232 с.
  4. Чубинский С.М. Лучи солнца и действие их на организм человека. М.: Медгиз, 1959. 215 с.
  5. Журавец И.Б., Манойлина С.З. Солнцезащита кабин мобильных энергетических средств: Монография. Воронеж: Изд-во Воронежского ГАУ, 2016. 235 с.
  6. Журавец И.Б., Журавец М.А., Манойлина С.З. Экологичные системы микроклимата в кабинах мобильных энергетических средств: Монография. Воронеж: Изд-во Воронежского ГАУ, 2015. 271 с.
  7. Поливаев О.И., Журавец И.Б., Манойлина С.З. Средства защиты кабины МЭС от инсоляции // Тракторы и сельхозмашины. 2015, №8. С. 10-14.

Copyright (c) 2016 Polivaev O.I., Zhuravets I.B., Manoylina S.Z., Teslenko I.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies