Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Аналитический обзор. Анализ тенденций развития СНМ в кабинах МСА 9
1.1. Обзор методов оценки и нормирования тепловлажностных условий в кабинах МСА9
1.2. Санитарные нормы по обеспечению допустимых микроклиматических условий в кабинах МСА 13
1.3. Анализ тепловлажностных условий в кабинах МСА 16
1.4. Анализ методов и средств по нормализации микроклимата в кабинах МСА 19
1.5. Обоснование целесообразности применения СНМ в кабинах МСА 21
1.6. Выводы 27
1.7. Цель и задачи исследований 28
Глава 2. Теоретические методы оценки динамики тепловлажностных условии в кабинах МСА 29
2.1. Тепловлажностный баланс кабин МСА 29
2.2. Математическая модель тепловлажностных режимов в динамике 31
2.3. Алгоритмы управления СНМ в неустановившемся тепловлажностном режиме 43
2.4. Выводы 46
Глава 3 . Совершенствование средств нормализации микроклимата в кабинах МСА 47
3.1. Выбор и разработка датчиков для определения параметров микроклимата и внешних климатических условий 47
3.2. Разработка функциональных преобразователей климатических параметров в электрический сигнал 53
3.3. Выбор состава и структурной схемы СНМ 57
3.4. Разработка программного обеспечения для определения показателей микроклимата на базе микроЭВМ 64
3.5. Разработка методики определения параметров микроклимата в неустановившихся режимах 66
3.6. Аппаратурная реализация системы для оценки и нормализации параметров микроклимата 70
3.7. Выводы 73
Глава 4. Экспериментальные исследования тепловлажностных условий кабинах МСА 75
4.1. Анализ результатов стендовых испытаний СНМ 75
4.2. Анализ экспериментальных результатов лабораторно-полевых исследований микроклиматических условий 77
4.3. Оценка тепловлажностных условий в кабинах МСА в полевых условиях 82
4.4. Рекомендация по выбору энергетических параметров и режимов работы СНМ 84
4.5. Выводы 85
Глава 5 . Технико-экономическая эффективность применения СНМ в кабинах МСА 86
5.1. Определение основных показателей СНМ, влияющих на экономическую эффективность 86
5.2. Определение затрат при использовании СНМ 88
5.3. Выводы 93
Общие выводы и рекомендации 94
Использованная литература 96
Приложения 108
- Анализ методов и средств по нормализации микроклимата в кабинах МСА
- Математическая модель тепловлажностных режимов в динамике
- Выбор состава и структурной схемы СНМ
- Анализ экспериментальных результатов лабораторно-полевых исследований микроклиматических условий
Введение к работе
Как известно, технический прогресс в любой отрасли обязательно меняет роль человека в управлении машиной. Окружающие условия, в которых протекает деятельность человека, управляющего машиной, значительно влияют на его работоспособность.
Специфические условия сельскохозяйственного труда, наличие неблагоприятных факторов создают ряд отрицательных явлений в сельском хозяйстве, в частности, большую текучесть кадров. Ежегодно из сельскохозяйственного производства выбывает 35 тыс. человек [55, 56, 67,71].
Современные агротехнологии предъявляют высокие требования к параметрам микроклимата, в котором находится оператор в кабине мобильного с.-х. агрегата (МСА).
Под микроклиматом понимается совокупность физических свойств и химического состава воздуха внутри кабины: температура, влажность, скорость потока, содержание вредных газов, запыленность, плотность солнечной и тепловой радиации.
Совершенствование отечественных сельскохозяйственных машин в настоящее время в основном направлено на улучшение их технико-экономических параметров и мало влияет на санитарно-гигиенические условия труда.
Неблагоприятный микроклимат способствует снижению производительности труда операторов на 15-20% и может вызвать развитие профессиональных заболеваний и патологических изменений в организме, а также является причиной преждевременной потери трудоспособности и даже инвалидности.
Улучшение условий труда операторов имеет огромное социальное значение: уменьшается текучесть кадров и снижаются потери из - за заболеваемости, сокращается производственный травматизм.
Анализ условий труда операторов отечественных МСА выявил следующие недостатки: в целом морально и физически устаревшие кабины и оборудование; несоблюдение и нарушение установленных санитарных норм и ГОСТов по нормированию микроклимата, недостаточная тепло- и звукоизоляция кабин на рабочем месте оператора, повышенный уровень запыленности и загазованности в кабинах. Существующее положение усугубляется отсутствием нормальных условий для отдыха.
Изучение и решение проблем, связанных с обеспечением здоровых и безопасных условий, в которых протекает труд человека - одна из наиболее важных задач при разработке новых агротехнологий.
Современные МСА оснащаются дорогостоящими системами отопления и вентиляции. В зарубежных кабинах тракторов находят применение различные типы нормализаторов микроклимата. До сих пор проблематично создание надежных, недорогих и экологически безопасных средств нормализации микроклимата (СНМ). Под воздействием толчков и вибраций в процессе эксплуатации сельскохозяйственных машин их надежность снижается в несколько раз по сравнению с эксплуатацией в стационарных условиях, поэтому создание надежных и эффективных СНМ является перспективным направлением.
Отечественные МСА неконкурентоспособны по обеспечению требуемых параметров микроклимата.
Особенно остро стоит проблема создания микроклимата в кабинах МСА класса до 2,0 включительно, где применение хладоновых СНМ технически пока не обосновано.
Наиболее сложной научной проблемой остается не столько обеспечение параметров микроклимата внутри кабины, а поддержание их допустимых перепадов относительно климатических параметров внешней среды и на выходе СНМ.
Особенно актуальной задачей является поддержание заданных параметров в неустановившихся тепловлажностных режимах.
Следовательно, научные исследования, направленные на изучение процессов изменения параметров микроклимата в кабинах МСА и формирование нормативного микроклимата в МСА актуальны и имеют важное значение для народного хозяйства.
Анализ методов и средств по нормализации микроклимата в кабинах МСА
В настоящее время не решена задача комплексной оценки параметров микроклимата при неустановившихся тепловлажностных режимах. Изменение параметров микроклимата происходят по случайным законам, вызванные влиянием наружных условий, переключением режимов работы, изменениями ориентации МСА на местности и режимов работы СНМ. Параметры микроклимата преимущественно оцениваются визуально при определенных условиях по приборам, определяющим отдельно температуру, относительную влажность, скорость воздушного потока, давление, уровень запыленности и загазованности воздуха в кабинах МСА. Ряд измерений проводят при остановке МСА, тем самым нарушаются технологические операции и процессы. При проведении испытаний используют устаревшие приборы и оборудование: жидкостные термометры, термометры сопротивления с регистратором, термографы для оценки температуры; психометры, гигрографы, гигрометры - для оценки относительной влажности воздуха; термоанемометры, чашечные и крыльчатые анемометры. Применяются также устройства с непрерывной регистрацией информации на фотобумаге, перфоленте и на магнитном носителе информации с последующим выводом на ЭВМ. Чаще всего подобные устройства обладают низкой помехоустойчивостью, громоздки и не позволяют получать достоверную оперативную информацию. Для оценки тепловлажностного режима в кабинах МСА в динамике требуются методы и системы с автоматизацией процессов сбора, обработки и регистрации информации. С применением современных микропроцессорных средств возможна комплексная оценка температуры, атмосферного давления, относительной влажности и скорости воздушных потоков с вычислением обобщенных показателей. В США, Великобритания, ФРГ применяются серии малогабаритных автономных приборов на основе микропроцессоров и микро-ЭВМ для контроля температуры, влажности, скорости воздуха, тепловых потоков. Фирмой "Uetrakust" (ФРГ) разработаны приборы «Термофил» и «Гигрофил» для контроля температуры и влажности воздуха. [82, 97, 98, 104] В настоящее время разработаны автоматизированные системы, позволяющие оценивать комплекс параметров микроклимата: «ЧЕК-6М», «ЧЕК-6У», СИУТ-301, «Микроклимат» и их модификации, система "МЭС-2", а также многоканальная система контроля и управления микроклиматом АСКМ-128/1 для непрерывного круглосуточного измерения и контроля температуры и относительной влажности воздуха [68,69,77,79].
Фирма "Therm" также разработала приборы [9, 70], позволяющие оценивать до 12 параметров микроклимата одновременно. Датская фирма "Брюль и Клер" (Дания) разработала измеритель, позволяющий автоматически определять температуру воздуха, скорость воздушного потока и среднюю радиационную температуру. [12,103] Проведенный нами анализ показал, что в настоящее время требуется разработка специализированных методов и средств нормализации микроклимата в кабинах МСА, обладающих наибольшей эффективностью и низкой стоимостью. . Обоснование целесообразности применения СНМ в кабинах МСА Отсутствие комфортных условий в рабочей зоне приводит к повышенной утомляемости, ухудшению внимания, снижению производительности труда и увеличивает вероятность ошибочных действий при выполнении технологических операций. От состояния оператора зависит безопасность людей и сохранность материальных ценностей, поэтому применение СНМ в кабинах МСА не только желательно, но и необходимо. В последнее время все большее внимание уделяется проблемам влияния микроклимата на здоровье сельскохозяйственных работников агропромышленного комплекса. Эти проблемы подробно рассмотрены в работах [3, 4, 38, 52, 64, 81, 106]. Снижение качества воздушной среды на рабочем месте может иметь различные последствия, приводящие в конечном итоге к возрастанию сопутствующих затрат. Плохое качество воздуха может вызвать существенный дискомфорт. Величина затрат, сопутствующих плохому качеству воздуха в герметичных помещениях, слагается из следующих составляющих: расходы на амбулаторное и больничное лечение, оплата больничных листов, потери продукции в связи с потерей рабочих дней, снижение производительности труда и др.
Математическая модель тепловлажностных режимов в динамике
Необходимость проводить оценку тепловлажностного режима в кабине МСА, внешних климатических условий, а также регулировать параметры микроклимата привели к необходимости выбора и разработки специальных датчиков. По сложившейся в нашей стране и за рубежом практике определения параметров микроклимата нами использованы три группы тепловых датчиков, основанных на: - тепловом изменении объемов жидкостей, газов и твердых тел (жидкостные, диламетрические, биметаллические, манометрические и др.); - изменении электрических сопротивлений металлов, полупроводников, диэлектриков; - возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) на спаях двух разнородных материалов (термопарные). Все они использованы для измерения температуры, влажности, давления тепловых потоков, уровней радиации, скорости перемещения внешних воздушных потоков, расходов и потоков воздуха от вентиляторов, кондиционеров и отопителей [8, 51, 100]. Тепловые датчики применяются не только для измерения, но и для регулирования многих из этих параметров, связанных с тепловой энергией. Следует отметить, что первая группа датчиков имеет недостаточную точность измерения в нестационарных тепловых режимах, низкую надежность при воздействии ударов, вибраций и ограниченную долговечность. Вторая группа датчиков выполнена на основе теплочувствительных элементов из платины, никеля, меди, кремния, полупроводников. В таких датчиках электрическое сопротивление чувствительных элементов (платины, никеля, меди) R изменяется согласно уравнению R = Ro{l+ X(0-0o)}, (3.1.) где R - электрическое сопротивление при 0С (т.е. при 273 К); 0, 0О - соответственно измеряемая температура и температура при нуле С; (X - температурный коэффициент, характеризующий относительное изменение электрического сопротивления при изменении температуры на ГС, отнесенное к номинальному значению электрического сопротивления чувствительного элемента при 0С. Согласно нормативным документам номинальное электрическое сопротивление при 0С для платины и никеля выбрано равным 100 Ом с диапазоном измерения температуры от -50 до 200С, для меди - 53 Ом с диапазоном измерения от-50 до 150С.
В анемометрах и датчиках давления применяются металлические датчики соответственно с сопротивлениями 500 Ом и 1 кОм. Во всех датчиках чувствительные элементы выполняются в виде спиралей или в тонкопленочном исполнении. Конструктивно датчики представляют собой цилиндры из латуни и стали различного диаметра и длины и пластин на которых наклеены спирали из микропровода, чувствительного к температуре. В третьей группе датчиков (термопары) используются спаи разнородных материалов. По сравнению с датчиками второй группы, они имеют более высокую чувствительность, точность и низкую цену. Для термопар использована пара: хромель - копель. Для измерения температуры поверхности ограждений применена термопара ТХК-0,33. ТермоЭДС, возникшая на выходе термопар составляет 7...75 мкВ/С. Недостатками всех групп тепловых датчиков является низкая чувствительность, поэтому необходимы дорогие и сложные функциональные преобразователи и усилители. В термопарах требуется наличие опорной температуры одного из спаев, которая должна поддерживаться постоянной или измеряться. Для них нами использованы интегральные схемы [54], содержащие внутренний компенсатор точки таяния льда, равной 0С. Датчики второй и третьей групп имеют нелинейную зависимость выходного параметра (сопротивления или термоЭДС) от температуры. Электрическое сопротивление металлических и полупроводниковых датчиков изменяется от величины силы тока, что приводит к погрешности измерения. Измерение тепловых параметров с помощью кремниевых датчиков представляет особый интерес [18], т.к. они значительно чувствительнее и дешевле других датчиков.
Выбор состава и структурной схемы СНМ
В последние годы в кабинах сельскохозяйственных машин, как на зарубежных, так и на отечественных, начали активно применять различные средства нормализации микроклимата. Их можно разделить на следующие группы [33, 41, 43, 76, 88]: - кондиционеры (хладоновые и испарительного типа); - отопите ли (автономные или использующие теплоту от двигателя); - вентиляторы, воздухоочистители и устройства для тепловой защиты. При эксплуатации сельскохозяйственных машин нельзя создать тепловлажностные условия, в которых использование указанных средств было бы наиболее эффективным. При неустановившемся режиме для установления отношения между температурой, влажностью и скоростью движения воздуха в кабине относительно наружной температуры, необходима дополнительная аппаратура, позволяющая задавать оптимальные режимы работы СНМ. В настоящее время ведутся попытки создать такую аппаратуру, но из-за неизученности алгоритмов управления в условиях работы сельскохозяйственных машин, а также отсутствия каких-либо рекомендаций по установлению оптимальных режимов работы СНМ, регулирование их режимов производится вручную, основываясь на субъективных ощущениях [39,46, 85]. Среди широкого многообразия СНМ более широкое применение нашли в основном два типа: хладоновые и водоиспарительные. Принцип работы хладонового кондиционера основывается на изменении давления и температуры при превращении хладагента в газ и конденсации вновь в жидкость и заключается в следующем.
Компрессор 1 (рис. 3.7.) всасывает и сжимает находящийся в газообразном состоянии хладагент. Хладагент из компрессора 1, попадает в конденсатор 3, в котором охлаждается и переходит в жидкое состояние. После удаления влаги в осушителе 4 хладагент поступает в расширительный клапан 7, расширяясь в котором, переходит в туманообразное состояние, а затем, войдя через первый вход в испаритель 8, переходит в газообразное состояние. При испарении хладагент через поверхности, разделяющие жидкий холодоноситель и испаряющийся хладагент охлаждает жидкий холодоноситель. Через первый выход испарителя 8 хладагент поступает в компрессор 1, совершая, таким образом, кругооборот по циклу и охлаждая жидкий холодоноситель в испарителе 8. Жидкий холодоноситель через второй выход испарителя 8 поступает в жидкостной насос 2, который нагнетает жидкий холодоноситель через теплообменник 6 отопителя и трубопроводы на второй вход испарителя 8. При этом кран 5 находится в закрытом состоянии, обеспечивая кругооборот жидкого холодоносителя по циклу. Причем соединение контура, по которому движется жидкий холодоноситель, с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) через трубопровод позволяет вытеснять в систему охлаждения ДВС жидкий холодоноситель при его расширении при повышении температуры в контуре или всасывать из системы охлаждения жидкий холодоноситель при снижении его температуры в контуре. Воздух, подаваемый вентилятором 9 через теплообменник 6 и воздуховоды отопителя в кабину, охлаждает ее внутреннее пространство. При отсутствии необходимости охлаждения кабины компрессор 1 и жидкостной насос 2 выключаются, а для обеспечения подогрева кабины от системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания кран 5 открывается и горячий холодоноситель подается от системы охлаждения через трубопроводы, теплообменник 6. Для контроля температуры служат 14...16 датчики, влажности воздуха в кабине - датчик 17. Расход воздуха на выходе СНМ контролируется датчиком 13. Датчики 11 и 12 контролируют температуру и влажность воздуха на выходе СНМ. Для измерения температуры и влажности воздуха окружающей среды служат датчики 19 и 20 соответственно. Регулирование микроклимата в кабине в соответствии с разработанными алгоритмами управления обеспечивается микропроцессором 10. Рис. 3.7. Структурная схема СНМ Хладоновые кондиционеры позволяют обеспечить допустимую температуру воздуха в кабинах МСА при определенных условиях работы.
Применяемые в настоящие время хладоновые кондиционеры воздуха имеют существенные недостатки: большое потребление электроэнергии (система кондиционирования воздуха потребляет более 20% мощности двигателя) [46, 50, 59, 96]; высокая цена, определяемая сложностью изготовления, использованием дорогостоящих цветных металлов, значительными затратами на обслуживание и ремонт; загрязнение окружающей среды рабочим веществом - фреоном, (в 1985 году европейскими странами была подписана венская конвенция "О защите озонового слоя", а в 1987 году принят меморандум "О веществах, влияющих на озоновый слой", которыми предусмотрено существенное сокращение производства фреонов). [66, 84] Начиная с января 1996 г. производители кондиционеров перешли на новый экологически чистый фреон R-134. Это требование Монреальской Конвенции, которую подписала и Россия.
В настоящее время в НАТИ и МАМИ проводятся работы по экологически чистым кондиционерам. Парокомпрессионный компрессор на фреоне R-134a был разработан для Волгоградского тракторного завода. Параллельно разрабатываются и безфреоновые кондиционеры термоэлектрического типа, действующие по принципу эффекта Пельтье. [24] Более простыми по конструкции и обслуживанию являются водоиспарительные охладители [26, 106], отличающиеся относительно низким расходом энергии и невысокой стоимостью. Их техническое обслуживание и ремонт возможно проводить силами рядовых механизаторов. По принципу охлаждения они делятся на прямое испарительное охлаждение и косвенное. В первом случае воздух, подаваемый в кабину, охлаждается за счет испарения воды, а это значительно увеличивает влажность воздуха в кабине (рис. 3.8). Схема водоиспарительного кондиционера 18 (рис. 3.7.) показана на рис. 3.8. Кондиционер состоит из корпуса 1 со съемной верхней крышкой 2, предназначенной для извлечения теплообменника и периодической промывки, с отверстиями 3 и 4 для установки на нижней крышке 16 поддона, вентилятора 5, и залива воды. Отверстие с пробкой 6 служит для залива воды в поддон 7, который снабжен отбортовкой 8 поплавком 9. Воздух из кабины транспортного средства подается вентилятором 5 на теплообменник 10, установленный в поддоне с водой 7 на амортизаторе 12, где он охлаждается за счет адиабатического испарения и поступает струей в кабину, снижая температуру внутреннего воздуха, оказывая душирующее воздействие. # При этом возможна работа кондиционера с забором наружного воздуха и подачи его в кабину. В этом случае устройство ставится так, чтобы забирать наружный воздух и охлаждать его в теплообменнике, а затем направлять охлажденный наружный воздух в кабину транспортного средства.
Анализ экспериментальных результатов лабораторно-полевых исследований микроклиматических условий
Лабораторно-полевые испытания системы СИУТ-301МА проводились на тракторах ЛТЗ-155 с плугом КА-3,6, картофелесажалкой КСМТ - 4, машиной для внесения жидких минеральных удобрений МВДУ-0,5. Испытания проводились при работе МСА на полигоне для ускоренных испытаний и в полевых условиях. В ходе испытаний информация считывалась с цифрового индикатора через определенные промежутки времени и заносилась в блок памяти системы. По завершении испытаний все результаты выводились на принтер (табл. 4.2.). Таблица 4.2. Результаты лабораторно-полевых испытаний системы СИУТ-301МА На рис. 4.1. - 4.3. показаны графики, изменения параметров микроклимата в кабине трактора ЛТЗ-155, оснащенной СНМ, с картофелесажалкой, плугом. 11 13 14 15 17 18 21 Рис. 4.1. Графики изменения температуры воздуха в кабине трактора ЛТЗ-155, оснащенной СНМ: пахота (8Bi), посадка картофеля (8В2) {температура 9Н и влажности фн наружного воздуха 35С и 95% соответственно) 13 14 15 16 20 21 Рис. 4.2. Графики изменения относительной влажности воздуха в кабине трактора ЛТЗ-155, оснащенной СНМ: пахота (фві). посадка картофеля (фв2) (температура 0Н и влажности фн наружного воздуха 35С и 95% соответственно) V,M/C 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Рис. 4.3. Графики изменения скорости движения воздуха в кабине трактора ЛТЗ-155, оснащенной СНМ: пахота (VBi), посадка картофеля (VB2) (температура 9Н и влажности фн наружного воздуха 35С и 95% соответственно)
Как следует из представленных графиков при наружной температуре и относительной влажности воздуха 35С, 95% соответственно внутри кабины температура не превышала 23 С, относительная влажность воздуха не превышала 70%. В ходе исследований режим работы трактора поддерживался в соответствии с агротехнологией пахоты и посадки картофеля. Результаты лабораторно - полевых испытаний СНМ в кабинах универсально-пропашных тракторов ЛТЗ-155 при внесении ЖМУ прицепной машиной (ПЖУ), значительно влияющей на микроклимат в кабине за счет изменения нагрузки двигателя, нагрева гидравлической жидкости и емкости бака представлены в таблице 4.3. Таблица 4.3. Результаты лабораторно-полевых испытаний СНМ на тракторе ЛТЗ-155 при внесении ЖМУ Исходя из представленных в табл. 4.3. данных следует, что при наружной температуре в пределах 30...35С обеспечивались допустимая температура до 31С при относительной влажности воздуха до 70%. По результатам исследований установлено, что при помощи СНМ с ПИД - регулятором удалось поддерживать температуру и влажность воздуха в кабине в пределах 25...31С и 40...90% соответственно при наружных условиях 0 = 25.. .35С и ф = 45...60%. Все результаты испытаний системы подтверждены протоколами приемочных испытаний ЦМИС. 4.3. Оценка тепловлажностных условий в кабинах МСА в полевых условиях Полевые испытания проводились в теплый период времени на тракторах ЛТЗ-155 с плугом КА-3,6, картофелесажалкой КСМТ-4, машиной для внесения жидких минеральных удобрений МДВУ-0,5 при параметрах наружного воздуха: - температура 22...34С -относительная влажность воздуха 50...65% -скорость воздуха 3,0...6,0 м/с; При выключенном СНМ параметры микроклимата в кабине составили: - температура 35...44С -относительная влажность воздуха 51 ...64% -скорость воздуха 0,5...0,6 м/с; При включении СНМ в течение первых 2 мин было увеличение температуры воздуха в кабине приблизительно до 2...4С. После чего наблюдалось уменьшение температуры до установившегося значения в 15...20С. Относительная влажность воздуха на выходе СНМ в течение 3 мин уменьшалась, после чего увеличивалась до установившегося значения. Графики зависимости показателей инерции т, тф от расхода воздуха тк, в кабине трактора ЛТЗ-155 показаны на рис. 4.4. В процессе исследований были скорректированы необходимые параметры СНМ: 0К = 18С, 5@к = 23С, фк = 52%, 8фк = 12% для обеспечения допустимых перепадов температуры 50вд 5С, влажности воздуха - 5фвд 20%, расход воздуха - тк, =0,1 кг/с. Полученные экспериментальные данные удовлетворительно совпадают с расчетными /73/. Как видно из графика, показатели инерции установления температуры и влажности воздуха в кабине трактора ЛТЗ-155 изменялись соответственно от 3 до 6 мин. от 6 до 9,5 мин. Разница между наружной температурой воздуха и воздуха, поступающего от СНМ составила 8...10С (в соответствии с существующими требованиями данная разница должна составлять 5С). Для того, чтобы получить допустимые параметры микроклимата в соответствии с требованиями необходимо иметь 80д = 50в - 50н = 5С. При помощи микроЭВМ, входящей в состав системы СИУТ-301МА нами были вычислены следующие параметры средства нормализации: 0К = 18С, 0К= 23С, фв= 52%.
