Methodology for conducting climatic tests in cabins and habitable compartments of wheeled and tracked vehicles

Full Text

Введение Автором на протяжении двадцати семи лет проводились различные климатические испытания с целью выявления температурно-влажностных характеристик в кабинах и обитаемых отсеках специальных колёсных и гусеничных машин в условиях высоких температур. В процессе изучения было обнаружено, что исследователи ранее допускали ряд методических ошибок, а некоторые из них, по всей видимости, по причине коммерческой заинтересованности скрывали реальную картину температурно-влажностных характеристик. При проведении климатических испытаний проявился ряд проблем, которые приходилось оперативно решать. Путям решения этих проблем посвящена эта работа. Проблемой обеспечения климата в кабинах и обитаемых отсеках автор со своими коллегами начал заниматься с начала 90-х годов ХХ века. Этот период совпал с сокращением выпуска военных и гражданских специальных машин, но в тоже время серийно выпускаемые малыми сериями и эксплуатируемые транспортные средства подвергались модернизации, им придавались новые качества, и они очень часто переоборудовались для выполнения задач, к которым совершенно не предназначались при первоначальном проектировании. Очень часто заказчики новой модификации машины требовали улучшения климатических характеристик внутри обитаемых отсеков. Причём требования были порой очень жёсткими: при наружной температуре от ─50ºС до +50ºС внутри обитаемого отсека должна была быть стабильная температура +18ºС во всех режимах движения и при стоянке. Анализ конструкций транспортных средств показал, что они совершенно не были готовы к обеспечению жёстких климатических условий в кабинах и обитаемых отсеках. Особенно это проявилось при проведении мероприятий по обеспечению приемлемых температурных условий для водителя и экипажа при высоких температурах. При анализе конструкций машин с целью обеспечения требуемых климатических показателей в условиях жары были выявлены следующие их недостатки: · при проектировании кабин и обитаемых отсеков совершенно не проводятся мероприятия по защите водителя и экипажа от воздействия прямой солнечной радиации; · обитаемые отсеки и моторный отсек не приспособлены для размещения в них агрегатов систем кондиционирования. Многие специалисты по конструированию колёсных и гусеничных машин ошибочно представляют, что для создания условий труда водителя в условиях высоких температур можно взять обычный бытовой холодильник, прорезать в нём отверстия, вставив в них окна, установить внутри кресло, органы управления и всю эту конструкцию подсоединить к компактной мобильной электростанции, и вопрос обеспечения климата будет решен. Подобным способом вопрос климата решить, конечно, можно, но во сколько экономически обойдётся решение этого вопроса? По статистике стоимость обеспечения холода в кабине оказывается в 5…7 раз дороже, чем обеспечение тепла [1]. А агрегаты и детали, используемые для изготовления кондиционерных установок, требуют на порядок большей точности и качества изготовления, чем другие агрегаты. К тому же интенсивные вибрационные и ударные воздействия очень быстро приводят к повреждению деталей и утечке хладагента. Имея опыт обеспечения климатических условий при высоких температурах, можно сказать, что даже превышение поступления солнечной радиации в обитаемый отсек всего на 15…20% может кардинально технически усложнить и увеличить стоимость конструктивных мероприятий, а в некоторых случаях может их исключить совсем, так как будут требоваться агрегаты по типоразмеру большей мощности. В случае обеспечения работы кондиционерной установки с непосредственным механическим приводом от двигателя агрегаты по массово-габаритным показателям во многих случаях не смогут быть установлены. Если компрессор парокомпрессионной (фреоновой) установки имеет электрический привод, то мощность бортовой сети транспортного средства может не обеспечить работу такой системы, будет происходить перегрузка генератора и разряд аккумуляторных батарей. Правильному проектированию кабин и обитаемых отсеков может способствовать объективная оценка тепловых потоков, поступающих в них. В многочисленных методиках расчётов теплового баланса кабин и обитаемых отсеков считается, что тепловая энергия, поступающая через панель крыши и боковые непрозрачные панели, равна тепловой энергии, поступающую через прозрачное остекление, или превышает еë, Это приводит к неправильным расчётам теплового баланса и требует на практике применять кондиционерные установки большей мощности. Методы проведения исследований Были проведены эксперименты по определению значимости различных тепловых потоков, поступающих в обитаемые отсеки, с помощью экранирования отдельных участков наружных панелей и остекления салона автомобиля (рис. 1). Рис. 1. Температурные эксперименты при экранировании крыши, ветрового и заднего стёкол Результаты и их обсуждение Эксперименты показывают, что основное значение для нагрева обитаемого отсека в условиях летних высоких температур несёт солнечная радиация, поступающая через остекление кабины или обитаемого отсека (см. табл.) [2, 3]. В процессе статических и ходовых климатических испытаний порой мало внимания уделяется такому важному фактору, как естественное перемещение солнца по горизонту относительно земли. Следует учитывать при климатических испытаниях, что угловая величина перемещения равна 15º в час, или за 20 минут солнце по горизонту перемещается на 5º. При проведении климатических испытаний это довольно высокая угловая величина. Ясно, что самые объективные результаты будут при таком расположении объекта, когда он находится в положении, при котором солнечная радиация может максимально влиять на повышение температуры в кабине. Испытателям нужно иметь в виду, что сама подготовка к климатическим испытаниям занимает минимум час. За это время солнце, как говорилось ранее, изменит своё угловое положение на 15º. Самый лучший вариант организации испытаний, когда можно в процессе исследований корректировать положение машины или кабины, заключающийся в перемещении или повороте объекта по часовой стрелке в направлении «за солнцем». Таблица Измерение температуры в кабине машины на водительском месте при различных вариантах экранировании крыши, ветрового и заднего стёкол (машина ориентирована передней частью на солнце (продольной осью), положение корректируется через каждые 15 минут, наружная влажность воздуха в тени 45…57 %.) Зона измерения температуры Зона головы водителя Зона груди водителя Зона живот-бёдра водителя Зона голени-стопы водителя Внешняя температура в тени Кабина находится в тени +30,7ºС +30,8ºС +31,4ºС +29,5ºС +31ºС Кабина на солнце, крыша, ветровое и заднее стёкла экранированы +33,1ºС +33,5ºС +33,1ºС +30,9ºС +31ºС Кабина на солнце, экран с крыши автомобиля снят +33,8ºС +33,6ºС +33,4ºС +33,4ºС +31ºС Кабина на солнце, экран с крыши и стёкол снят +43ºС +40ºС +62ºС +32ºС +32ºС Когда проводились испытания конструктивной тепловой защиты на макете кабины (рис. 2), конструкция позволяла вращать макет на опорной стойке на 360º. В процессе испытаний проводились исследования на так называемый «тепловой пробой», при котором, если тепловая защита спроектирована неправильно, в каком-то угловом положении относительно солнца температура в кабине начинала бы нарастать. Макет кабины вращался против часовой стрелки (против направления перемещения солнца по горизонту). Кабина поворачивалась каждые 3 минуты на 30º. Так как температурные условия в период жары могут быть нестабильными, время на эксперименты весьма ограничено. Для данного вида испытаний оборот на 360º за час является оптимальным режимом и для фиксации температурных характеристик, и для оценки в процессе эксперимента конструкции исследуемой тепловой защиты. Иногда исследователи допускают ошибку при изменении температуры наружных панелей кабины. Опыт показал, что температура «голой» металлической панели будет отличаться от температуры панели с установленной на ней теплоизоляцией. Теплоизоляция играет роль термоса и затрудняет теплообмен с внутренним объёмом кабины. Температура такой панели будет всегда выше, чем «голой» панели без теплоизоляции, хотя теплоизоляция при этом будет играть свою роль и снижать поступление тепла в кабину [4, 5]. Рис. 2. Конструкция макета кабины с возможностью вращения на 360º относительно солнца и возможностью менять конструкцию тепловой защиты. Заключение Натурные климатические испытания являются одними из самых сложных из всего комплекса испытаний, которым может подвергаться колёсная и гусеничная техника, так как на сложность подобных испытаний влияет переменчивый нестабильный климат, способный меняться как в течение дня, так и напротяжении всего срока испытаний. Но, тем не менее, подобные испытания в отличие от других невозможно заменить стендовыми экспериментами или испытаниями в климатических камерах, так как в этих условиях трудно смоделировать сложный процесс воздействия естественно солнечной радиации на машину.

About the authors

S. B Vereshchagin

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

Email: sbver@yandex.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files