Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Принципы проектирования специальной теплозащитной одежды 9
1.1 Анализ производственной деятельности человека в условиях гиподинамии 9
1.2 Анализ особенностей теплообмена организма с окружающей средой в условиях гиподинамии 16
1.3 Анализ эргономических особенностей проектирования специальной теплозащитной одежды 26
1.4 Анализ материалов, применяющихся для изготовления теплозащитной спецодежды 31
1.5 Анализ влияния вида и конструктивного решения на теплозащитные свойства специальной одежды 40
Выводы 46
Глава 2 Разработка геометрической модели системы «локальная зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» 48
2.1 Анализ производственных факторов, определяющих характер физической активности человека 48
2.2 Обсуждение вариантов идеализированного представления модели коленного сустава 56
2.3 Определение геометрических параметров модели коленного сустава 59
2.3.2 Экспериментальное определение площади участка коленного сустава 61
2.4 Создание анимационной модели 67
2.5 Создание анимированной геометрической модели коленного сустава 68
2.6 Проверка адекватности созданной анимированной модели коленного сустава соответствующему участку тела человека 70
Выводы 73
Глава 3 Разработка математической модели теплообмена системы «локальная зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» 75
3.1 Аналитическое обоснование причины возникновения зон локального дискомфорта в области коленных суставов 75
3.2 Экспериментальное исследование температуры кожи в области суставов при динамических деформациях 78
3.3 Разработка математической модели «локальная зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» 83
3.4 Исходные данные для исследования на математической модели 90
3.4.1 Климатические условия деятельности научных работников 90
3.4.2 Параметры геометрического приближения модели 93
3.4.3 Расчёт средневзвешенной толщины спецодежды 94
3.5 Исследования на математической модели теплообмена коленного сустава с окружающей средой 98
3.6 Проверка адекватности математической модели реальным условиям 100
Выводы 102
Глава 4 Разработка комплекта специальной теплозащитной одежды 104
4.1 Выбор величин размерных признаков для проектирования специальной одежды астрономов 104
4.2 Формулировка условий оптимизации теплового сопротивления специальной одежды с учётом её антропометрического соответствия 107
4.3 Разработка конструкции спецодежды 109
4.3.1 Выбор вида спецодежды 109
4.3.2 Разработка варианта конструктивного решения полукомбинезона 110
4.4 Разработка принципа расчёта раствора вытачек 112
4.4.1 Разработка конструктивного элемента для обеспечения локальной тепловой защиты 115
4.5 Выбор рациональных величин припусков 124
4.6 Обоснование выбора материалов для изготовления специальной одежды 132
4.7 Описание комплекта специальной теплозащитной одежды 136
4.8 Проведение натурных испытаний специальной теплозащитной одежды для астрономов 144
4.9 Производственная апробация и внедрение комплекта специальной теплозащитной одежды 146
Выводы 147
Общие результаты и выводы по работе 149
Библиографический список 150
Приложение 161
- Анализ особенностей теплообмена организма с окружающей средой в условиях гиподинамии
- Обсуждение вариантов идеализированного представления модели коленного сустава
- Экспериментальное исследование температуры кожи в области суставов при динамических деформациях
- Формулировка условий оптимизации теплового сопротивления специальной одежды с учётом её антропометрического соответствия
Введение к работе
Современная жизнедеятельность человека повсеместно связана с множеством работ, характеризующихся собственным комплексом производственных условий. Такие комплексы целесообразно рассматривать в рамках системы «человек - одежда - среда», учитывая взаимодействие всех входящих в неё компонентов. Состояние человека в рассматриваемых системах «ЧОС» является предметом исследований, направленных на совершенствование средств индивидуальной защиты. Отдельное внимание уделяется проблеме пребывания человека в условиях холода. Среди средств обеспечения эффективной защиты человека от холода и создания комфортных условий трудовой деятельности одежда занимает одно из ведущих мест. Рационально созданная одежда позволяет расширить зону теплового комфорта человека, сохраняет его трудоспособность, предотвращает возникновение профессиональных заболеваний [1].
Актуальность проблемы создания одежды для защиты от холода подтверждают многочисленные исследования в этой области, проведённые отечественными и зарубежными учёными. Основы проектирования одежды в соответствии с условиями труда и климата изложены в работах отечественных учёных Колесникова П.А. [2,3], Вадковской Ю.В. [4], Афанасьевой Р.Ф. [5, 6, 7, 8], Делль Р. А. [9], Чубаровой З.С. [10], Командриковой Е.Я. [11], Витте [12,13,14,15]. Среди зарубежных авторов проблемами тепловой защиты человека занимались Винсен [16], Бартон, Эдхольм [17,18], Уинслоу, Херрингтон [19], Кляйн [20] и др. В настоящее время исследования в этой области представлены трудами Меликова Е.Х. [21,22,23], Кокеткина П.П. [24], Бринка И.Ю. [25, 26], Бекмурзаева Л.А. [27], Жаворонкова А.И.[28,29,30], Сурженко Е.Я. [31] и др. Интересные работы в области моделирования процессов теплообмена человека представлены немецкими учёными института гигиены и физиологии Хохенштайна [32, 33].
Активная деятельность человека обуславливает проблему создания тепловой защиты для достаточно индивидуальных условий пребывания
человека в условиях холода. Данная проблема ставилась и рассматривалась в работах Бринка И.Ю. [26], Жаворонкова А.И. [28].
Однако задача обеспечения тепловой защиты проявляется не только в условиях активной физической деятельности человека в условиях холода, что чаще всего рассматривается в современных научных направлениях [2-9,12-24], но и во время пассивного пребывания на холоде. Известны исследования [34,35,36], посвященные созданию теплозащитной одежды для работы человека при минимальной физической активности в условиях Крайнего Севера. С целью тепловой защиты человека авторы рекомендуют использовать термобельё и электрообогреваемую одежду, однако применение электообогреваемой одежды целесообразно только в особо суровых метеоусловиях в течение короткого промежутка времени.
Анализ представленных выше исследований показал, что в настоящее время достаточно хорошо разработаны методы проектирования теплозащитной одежды для условий повышенной физической активности. Задачей диссертационной работы является изучение особенностей проектирования одежды для человека, пребывающего на холоде в условиях низкой физической активности (гиподинамии). Такие условия характеризуют в частности работу астрономов — наблюдателей.
Деятельность астрономов связана с необходимостью проведения научно — исследовательских работ на стационарных оптических инструментах, расположенных на высоте более 2000 метров над уровнем моря. Особенно эффективна деятельность астрономов зимой, когда в атмосфере отсутствуют термические колебания воздуха и наиболее продолжительная ночь. Подкупольное пространство телескопа должно иметь температуру окружающей среды для того, чтобы основные оптические элементы телескопа не имели температурных перенапряжений. Регулярное длительное пребывание человека в условиях холода приводит к развитию профессиональных заболеваний. Рассмотрение методов проектирования теплозащитной одежды, представленных в работах отечественных и зарубежных учёных показало, что
7 вопрос обеспечения физиологического комфорта человека в аналогичных условиях подробно не рассматривался, поэтому проблема создания специальной теплозащитной одежды для астрономов актуальна.
Цель работы - разработка уточнённой методики проектирования одежды для защиты от пониженных температур, учитывающей повышенные локальные теплопотери человека.
Задачи работы:
Изучить условия работы астрономов. Выявить негативные производственные факторы, определяющие параметры оптимизации тепловой защиты специальной одежды.
Исследовать топографию и характер тепловых потерь человека в условиях гиподинамии. Создать геометрическую модель нижних конечностей тела человека с целью математического моделирования объекта.
Разработать математическую модель процессов теплообмена на участке коленного сустава человека.
Создать методику расчёта параметров конструкции теплозащитных брюк повышенной комфортности с учётом динамической составляющей для конструктивных изменений брюк на участке коленного сустава.
Объект исследования. Специальная теплозащитная одежда.
Основные методы исследования. Работа основывается на комплексном применении аналитических, экспериментальных методов, методов математического моделирования и математической статистики, средств векторной и растровой компьютерной графики. Работа реализована с применением программных продуктов Microsoft Word, Microsoft Excel, Maple 7.0, 3D Studio MAX, NewTek LighWave 3D 7.0 и Adobe Photoshop для операционной системы Windows 2000.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
- определении взаимозависимости теплофизических параметров системы
«локальная зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» от
положения коленного сустава человека в условиях гиподинамии;
создании анимированной геометрической модели нижних конечностей тела человека позволяющей моделировать изменение площади поверхности ноги в диапазоне от 0 до 90;
разработке математической модели процессов теплообмена системы «локальная зона человека - теплозащитная одежда — окружающая среда» на участке коленного сустава человека;
создании методики расчёта параметров конструкции теплозащитных брюк повышенной комфортности.
Практическая значимость работы заключается в:
разработке формального математического аппарата, позволяющего адаптировать методику расчёта параметров конструкции теплозащитных брюк повышенной комфортности для использования в САПР одежды;
создании комплекта специальной теплозащитной одежды для астрономов, работающих в условиях гиподинамии.
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
Международной конференции «Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК - 2002», г. Москва.
Межвузовской научно-технической конференции ЮРГУЭС, г. Шахты, 2002 г.
Международной конференции «Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК - 2003», г. Москва.
Межрегиональной конференции «Наука XXI века - Индустрии Сервиса», г. Ростов на Дону, 2004 г.
Межвузовской научно-технической конференции РИС ЮРГУЭС, г. Ростов на Дону, 2004 г.
9 Внедрение результатов исследований.
Практическая значимость работы подтверждена внедрением методики проектирования теплозащитных брюк в производственный процесс ООО «БВН
- инжениринг» (г. Новочеркасск). Комплект специальной теплозащитной
одежды, разработанный на базе созданной методики, принят в эксплуатацию в
Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук.
Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе РИС
ЮРГУЭС при чтении лекционного курса, проведении практических работ по
дисциплинам «Гигиена одежды», «Методы и средства исследований», а также
при выполнении курсовых работ научно-исследовательского характера для
студентов специальности 280900 «Конструирование швейных изделий» и
280800 «Технология швейных изделий».
На защиту выносятся результаты исследований:
анимированная геометрическая модель участка коленного сустава тела человека;
математическая модель процессов теплообмена системы «локальная зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» на участке коленного сустава человека;
методика расчёта параметров конструкции теплозащитных брюк повышенной комфортности.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, библиографического списка, насчитывающего 121 наименование. Содержит 42 рисунка, 31 таблицу, 13 страниц приложений.
Анализ особенностей теплообмена организма с окружающей средой в условиях гиподинамии
Для защиты человека от холодового воздействия производственной среды в условиях гиподинамии, необходимо провести анализ особенностей теплообмена организма человека в представленных условиях.
Известно, что тепло, вырабатываемое человеком (теплопродукция), возникает в процессе биологического обмена веществ во всех тканях тела. Вся энергия, которая в конечном итоге выделяется в виде тепла, количественно определяется химической энергией переваренной пищи [12] и поступившим из внешней среды теплом. Термический режим тела человека характеризуется существенной особенностью - наличием сравнительно постоянного уровня температуры тела. Сохранение температуры тела в пределах нормы является необходимым условием жизнедеятельности человека [13,14]. Стабильная температура тела поддерживается путём регуляции равенства прихода тепла (теплопродукции) его отдаче (теплоотдаче) [50]. Для человека химическая терморегуляция [15] является основной. Дополнительное регулирование осуществляется за счёт так называемой физической терморегуляции. К факторам, влияющим на дополнительную терморегуляцию, относятся метеорологические условия, пол, возраст и, прежде всего, характер физической активности человека [51].
Физическая терморегуляция определяется как физическими, так и физиологическими процессами. Бартон [18] считает, что схематично разграничить область действия этих процессов можно следующим образом: теплопередача от внутренних органов к коже происходит на основе физиологических закономерностей, а теплоотдача от кожи через одежду в окружающую среду - в соответствии с физическими закономерностями, рис. 1.2.
Под воздействием холода, как общего, так и локального, химическая терморегуляция может увеличивать теплопродукцию в организме человека, находящегося в покое. При интенсивном охлаждении теплопродукция за счёт включения химической терморегуляции имеет место и при выполнении человеком физической работы.
Наиболее ценные сведения по этому поводу имеются в ранних работах Адольфа [16], Бартона [18], Витте [14], Кандора [52]; авторы исследуют зависимость теплопродукции от тяжести физической работы, (табл. 1.3).
Из табл. 1.3 видно, что теплопродукция за счёт включения механизма химической терморегуляции в условиях гиподинамии увеличивается всего на 1-1.2%, это практически не отличается от теплопродукции в состоянии покоя.
В работе [14] авторы делают акцент на том, что отсутствие нарушения теплового баланса для человека в состоянии покоя, одетого в комнатную одежду (шерстяной костюм и бельё), наблюдается только при температуре воздуха 22-24С, при температуре воздуха ниже 18 С способность терморегуляции человека, направленная на поддержание теплового баланса, нарушается. Соответственно, пребывание человека в производственной среде с температурой ниже 18С обуславливает проблему искусственного обеспечения комфортного состояния человека, одним из средств которого является специальная теплозащитная одежда.
В работе [53] говорится, что основная часть энергии теплопродукции выделяется в окружающую среду в виде тепла, и лишь небольшая её часть превращается в механическую энергию. В сложном процессе поддержания теплового баланса человека большое значение имеют способы теплоотдачи. Человек отдаёт в окружающую среду тепло, которое сам продуцирует и которое получает в виде радиации пятью основными способами [3,5]: молекулярной (кондукционной) теплопроводностью, конвективной теплопроводностью, радиационным излучением, дыханием, испарением пота. Наибольшую долю при воздействии охлаждающей среды на организм человека занимают потери радиацией и конвекцией. Поэтому при проектировании спецодежды для защиты от холода особое значение имеет оценка величины радиационно - конвективных теплопотерь. Анализ уравнения теплового баланса человека [3] позволяет прогнозировать характер основных теплопотерь в условиях гиподинамии при охлаждающем воздействии производственной среды. Левая сторона уравнения состоит из суммы теплопродукции человека и влияния внешней тепловой нагрузки. При охлаждении организма физиологическая терморегуляция в известных пределах обеспечивает поддержание теплового баланса. Увеличение теплообразования осуществляется преимущественно за счёт того, что механизм терморегуляции повышает теплопродукцию, периферические сосуды сужаются, кровоснабжение кожи уменьшается, процесс потоотделения резко ослабевает [53]. Срабатывают механизмы повышения мышечного тонуса и возникновения дрожи [54] за счёт того, что нервные рецепторы приводят в действие систему физиологических механизмов, которая усиливает процесс теплопродукции и ослабляет механизм теплоотдачи. Однако, как говорилось выше, теплопродукция организма в условиях гиподинамии при пониженных температурах ограничена и недостаточна для обеспечения теплового баланса человека. Если рассматривать правую сторону уравнения (1.1), то следует отметить, что значительные потери тепла в заданных условиях происходят в основном за счет радиационных, кондуктивных и конвективных теплопотерь. Кондуктивные теплопотери сводятся к контакту с приборами, корпуса которых, как правило, металлические, однако проблема может быть решена за счёт покрытия контактных поверхностей материалами с низкой теплопроводностью. Потери тепла испарением диффузионной влаги с поверхности кожи и потери тепла испарением выделяемого пота в заданных условиях можно не учитывать. Потери тепла испарением с верхних дыхательных путей и потери тепла вследствие нагревания вдыхаемого воздуха составляют небольшую долю, поскольку работы проходят при минимальных энергозатратах. Основную долю составляют радиационно-конвективные теплопотери. Площадь поверхности тела, участвующей в радиационном теплообмене, меньше площади всей поверхности тела человека, потому что большая часть тела закрыта одеждой и не участвует в теплообмене с окружающими поверхностями.
Соответственно, основные теплоопотери человека в условиях гиподинамии сводятся к величине свободного конвективного теплообмена, поскольку работы проводятся в помещении. Таким образом, уравнение (1.1) принимает следующий вид: Потери тепла конвекцией могут быть определены на основании закона охлаждения тел Ньютона по уравнению 1.3. где акот - коэффициент теплоотдачи конвекцией. Вт/(м С); 5-площадь поверхности теплообмена, м ; te- температура воздуха, С; tod - температура поверхности одежды, С. Из формулы 1.3 следует, что на величину конвективных теплопотерь влияет коэффициент теплоотдачи конвекцией, который в условиях спокойного воздуха в помещении является функцией разности температур и площади поверхности теплообмена. Анализ условий работы научного персонала показал, что человек длительное время находится в фиксированной позе (сидя возле приборов). Если рассматривать позу длительно сидящего человека, то можно отметить, что в области коленных суставов образуется поверхность по форме близкая к сферической. Изменение формы теплоотдающей поверхности вызывает изменение величины конвективных теплопотерь. В работе [66], посвященной основам теплопередачи, говорится о том, что тепловой поток пропорционален поверхности теплообмена, разности температур поверхности и среды. Изменение позы человека вызывает изменение формы и площади тела, и соответственно, поверхности теплообмена. Ранее на факт зависимости теплопотерь от позы человека обращали внимание зарубежные авторы. Так в работе [58], посвященной исследованию коэффициентов конвективной и лучистой теплопередачи, говорится об уменьшении на 8-18% теплоизоляционных свойств одежды на сидячем манекене по сравнению со стоячим на основании данных, полученных экспериментальным путём. Авторы называют это явление «наносным» эффектом, не указывая на причины, вызывающие потерю теплоизоляционных свойств одежды. При высокой степени физической активности человека сложно учесть влияние быстрой смены поз на тепловые потери, однако, в условиях гиподинамии актуален вопрос изучения снижения теплоизоляционных свойств одежды при вынужденном нахождении человека долгое время в положении сидя. Зависимость теплопотерь от изменения позы человека, с целью дальнейшего практического применения, прогнозируется при помощи средств математического моделирования.
Обсуждение вариантов идеализированного представления модели коленного сустава
Разработка и применение любой математической модели теплового обмена системы «человек-одежда-среда» осуществляется в рамках создания методики для расчета и корректировки эффективной теплоизоляции одежды на стадии проектирования с учетом особенностей процесса теплообмена человека с окружающей средой [61-66].
Разработка математической модели включает следующие этапы: 1) создание идеализированной модели представления тела человека; 2) описание процессов теплообмена тела человека с окружающей средой; 3) получение данных о величине тепловых потоков на основе уравнений тепловых процессов, параметров воздействия внешних факторов и дополнительных ограничений.
Анализ известных концепций идеализации тела человека, применяемых для расчетов теплообмена человека с окружающей средой, проведённый в главе 1, показал, что представление тела человека в виде стандартного набора цилиндров является существенным недостатком, поскольку не позволяет моделировать движения человека. Нами в данной работе внесены дополнения в существующие варианты идеализации тела человека с целью прогнозирования теплового состояния системы «локальна зона человека - теплозащитная одежда - окружающая среда» в динамике. Оценка величины локальных теплопотерь с поверхности коленного сустава осуществлена при помощи анимированной геометрической модели, позволяющей имитировать процесс сгибания -разгибания конечностей в диапазоне от 0 до 90. Использование созданной геометрической модели возможно при условии её адекватности участку коленного сустава человека. Проверка адекватности осуществлена посредством сравнительного анализа площади поверхности анимированной геометрической модели и соответствующего ей участка тела.
Изучение многочисленных работ, посвященных проблемам математического моделирования процессов теплообмена человека, не позволило найти данные об изменении площади поверхности тела в статике и динамике. Это связанно с тем, что способы моделирования зависят от задач, для решения которых необходимо то или иное геометрическое представление. В данной работе нами решается задача локальной тепловой защиты участка коленного сустава тела человека.
В результате движения сгибания ног в области суставов образуются поверхности, по форме приближенные к поверхности сферы. Если рассматривать движущегося человека и определять время, в течение которого поверхность сустава имеет сферические очертания, то этим представлением можно пренебречь. Анализ долевого распределения рабочих поз, представленный в п. 2.1, показал, что большую часть рабочего времени человек проводит в положении сидя. Коленные суставы длительное время находятся в согнутом состоянии, поэтому необходимо дополнить существующие статичные модели тела представлением, позволяющим имитировать возникновение сегмента сферической поверхности в области коленных суставов. Описание геометрического представления суставов, принятого нами для создания модели, представлено в табл. 2.4.
Геометрическая идеализация коленного сустава нами представлена в виде динамической системы, состоящей из цилиндра и сферы.
Далее определены геометрические параметры модели коленного сустава -радиус и длина, исходя из условия их соответствия аналогичным параметрам участка тела человека.
Выбор геометрических параметров для модельного представления участка коленного сустава обоснован деформацией мягких тканей ноги при сгибании. Длина выделенного участка выбрана так, чтобы деформация подколенной впадины при сгибании ноги незначительно влияла на форму сечения бедра и голени на границах выделенного участка. Общая длина складывается из равных длин участков, отложенных по прямой вверх и вниз от классической антропометрической точки, находящейся в центре коленной чашечки, и составляет 0.15 м в каждую сторону, (рис.2.5).
Экспериментальное исследование температуры кожи в области суставов при динамических деформациях
Серия экспериментов, проведённых в рамках данного исследования, позволила получить данные о неравномерном характере удельных тепловых потоков на участке коленного сустава положении стоя и сидя. Исследования заключались в комплексе натурных экспериментов на территории Специальной астрофизической обсерватории РАН, в непосредственной зоне работы астрономов-наблюдателей, с использованием специального измерительно-расчетного комплекса для исследования теплового состояния человека ИРК-5 [107].
Оценка возможной погрешности измерений с помощью ИРК-5 проведена автором [67], на основании анализа влияния величины погрешности термоизмерительной аппаратуры на величины искомых характеристик. Основная погрешность измерений температуры кожи в данной работе не превысила 0,1 С, что соответствует допустимой погрешности измерения температуры кожи человека, рекомендуемой автором- разработчиком ИРК-5.
Для участия в эксперименте был привлечен тот же контингент мужчин, работающих в Специальной астрофизической обсерватории РАН, что и ранее для исследований представленных в п.2.3.1. Эксперименты проводились в производственном помещении телескопа при непосредственном ведении наблюдений. Для определения необходимого числа измерений были проведены пробные 6 экспериментов. Полученная погрешность экспериментов превысила допустимые 5 %, но была заложена в расчёт оптимального числа выборки для проведения экспериментальных исследований, по методике [105], которая составила 16 измерений. Средние значения результатов измерений представлены в приложении В.
Цель экспериментальных исследований - получение данных о температуре кожи в области коленных суставов при переходе от положения, стоя к положению сидя в период охлаждающего воздействия [119]. В основу выбора динамики было положено исследование основных рабочих поз астрономов, и результаты анкетирования представленные выше в п. 2.1, с целью выявления зон локального дискомфорта.
В ряде литературных источников [19,20], посвященных исследованию теплового состояния человека авторы приводят данные о времени необходимом для измерения температуры кожи. Продолжительность эксперимента составляет 30 минут. Р.Ф. Афанасьева [5] в исследованиях, посвященных гигиеническим основам проектирования одежды для защиты от холода, обращает внимание на то, что для большей достоверности результатов продолжительность эксперимента должна быть увеличена до 60 минут. В виду расхождения мнений авторов относительно длительности времени измерений нами проведены предварительные измерения температуры с целью получения устойчивой картины термостабилизации системы при изменении позы человека.
На основании предварительных измерении температуры с учётом рекомендаций авторов [5] выбрано время длительности измерений. Изменение позы проводилось через 20 минут, так как в течение этого периода времени в точках измерения возникала устойчивая картина изменения температуры. Общее время измерений составило 1час 40 минут. Время нахождения в фиксированных позах приведено в табл. 3.1.
Датчики №1-6 установлены на участке длиной 30см, с интервалом 5 см. Отдельно выведен датчик номер 7, измеряющий температуру в помещении. Данные о температуре кожи считывались с частотой 2 минуты в течение всего времени эксперимента. Выбор длины участка обоснован ранее в п.2.3.
Экспериментальные исследования зависимости температуры кожи на поверхности ноги в области коленных суставов при переходе от положения стоя к положению сидя позволили получить зависимости, представленные на рис. 3.2, 3.3.
Формулировка условий оптимизации теплового сопротивления специальной одежды с учётом её антропометрического соответствия
Многочисленные исследования системы «человек-одежда» в динамике [77,78,79,80,81] показывают, что характер антропометрических контактов её элементов определяется закономерностями функционирования скелетно-мышечной системы человека. Вследствие этого, величина параметров деталей конструкции специальной одежды будет зависеть от изменения размеров тела человека при выполнении им комплекса основных трудовых движений. Однако вид деятельности и, соответственно, комплекс основных трудовых движений определяет не только формулировку требований антропометрического соответствия спецодежды. В исследованиях [3,5,8,9,24], посвященных проектированию одежды для защиты от холода, говорится, что на топографию и плотность теплового потока с поверхности тела человека оказывают влияние вид и интенсивность физической деятельности человека. Соответственно, этот факт определяет требования к распределению величины эффективного теплового сопротивления пакета по участкам тела человека.
В существующих на сегодняшний день рекомендациях по разработке рациональных конструктивных решений специальной теплозащитной одежды [24] нами не найдены варианты конструктивного решения, позволяющие обеспечить эффективную тепловую защиту зон коленных суставов человека, работающего при пониженных температурах в условиях гиподинамии. Поэтому возникает необходимость разработки конструктивного решения специальной одежды с учётом представленного выше условия.
Создание исходных конструкций специальной одежды до настоящего времени выполняется высококвалифицированными конструкторами на основании различных методик плоскостного конструирования в соответствии с ТУ по разработке одежды специального назначения. В данной работе оптимизация конструкции спецодежды заключается в разработке конструктивного решения, позволяющего обеспечить тепловую защиту участков коленных суставов у человека в условиях длительного нахождения в положении сидя при охлаждающем воздействии производственной среды. Решение этой проблемы осуществлено посредством анализа взаимосвязи элементов системы «локальная зона человека - теплозащитная одежда -окружающая среда» в динамике: биомеханические, теплообменные характеристики человека и конструктивные параметры.
Как отмечалось выше, при выполнении комплекса основных трудовых движений изменению подвергаются не только размеры, но и форма поверхности тела человека. Соответственно, изменение размеров требует корректировки участков конструкции на величину динамических приростов, а изменение формы коленного сустава сидящего человека обуславливает необходимость оптимизации теплового сопротивления брюк конструктивными средствами [120].
Разработку конструкции по рекомендациям, представленным в [97], предлагается проводить в четыре этапа, последовательная реализация которых позволяет обеспечить заданные эргономические параметры утеплённой специальной одежды. Однако нами в рекомендации авторов [97], внесены дополнения, необходимые для создания конструкции брюк с определённым уровнем локальной тепловой защиты коленных суставов. Этап принятия конструктивного решения должен включать следующие стадии: 1) выбор движения, для которого необходимо внести изменение в конструкцию брюк проектируемой спецодежды, и определение конструктивных участков, форма которых требует корректировки; 2) определение конструктивных параметров, влияющих на формирование контуров детали на данном конструктивном участке и определение оптимальных величин для этих параметров; 3) разработка дополнительных конструктивных элементов позволяющих обеспечить эффективную тепловую защиту на участках локального дискомфорта; 4) оценка соответствия полученной модели проектируемой специальной одежды на предмет соответствия внесённых изменений; 5) построение плоских развёрток деталей.
Перечисленные выше этапы реализованы в рамках создания конструктивной методики с целью обеспечения динамического соответствия и эффективной тепловой защиты на участке коленного сустава человека.
Реализация конструктивного решения осуществляется в следующем порядке: 1) выбор вида спецодежды; 2) выбор рациональных величин припусков; 3) разработку методики расчёта параметров конструкции теплозащитных брюк, с учётом локальных охлаждений коленных суставов 4) непосредственно построение модельной конструкции и изготовление образца специальной одежды.
Сравнительная характеристика величин теплового сопротивления комплектов одежды закрытого (комбинезон) и открытого типов (распашная одежда: пальто, куртка), проведённая авторами [5], показала, что при одной и той же средневзвешенной толщине пакета материалов меньшая эффективность утепления наблюдается у одежды открытого типа. Это объясняется тем, что в одежде открытого типа наблюдается усиление конвективных теплопотерь в области бедер, в результате чего теряются теплозащитные свойства одежды, несмотря на увеличение толщины пакета материалов на этом участке.
Однако, несмотря на то, что одежда закрытого типа обладает наилучшими теплозащитными свойствами, использование комбинезона в качестве спецодежды крайне нерационально. Во-первых, тепловое сопротивление спецодежды проектируется для самых жёстких производственных условий и часто возникает необходимость регулирования уровня тепловой защиты в соответствии с изменением параметров окружающей среды. Осуществить это условие возможно путём применения многослойной спецодежды. Во-вторых, одним из требований к спецодежде является удобство её эксплуатации, то есть быстрота одевания и снимания, а также удобство пользования отдельными элементами.
Величина эффективной тепловой защиты возрастает в случае, когда комплект спецодежды включает комбинацию одежды открытого и закрытого типов (при одной и той же средневзвешенной толщине пакета материалов). Поэтому ЦНИИШП [109] рекомендуется использовать в качестве спецодежды для защиты от пониженных температур комплект, состоящий из куртки и полукомбинезона. Полукомбинезон защищает поясничную область, близок по виду к одежде закрытого типа и удобен в эксплуатации. Комбинация полукомбинезона с курткой обеспечивает возможность регулировки степени тепловой защиты и удобство эксплуатации спецодежды. В данной работе разработан комплект спецодежды, состоящий из куртки и полукомбинезона.
