12Изучение показателей микроклимата в кабине строительного бульдозера
Кормин Алексей Михайлович
канд.техн.наук, доцент, кафедра ТТНК, Тюменский индустриальный университет, kormin.tiu@rambler.ru
Предмет: Проблема плохих условий труда в кабинах тракторов влияет на здоровье водителей. Условия труда в кабинах тракторов строительного и сельскохозяйственного назначения не всегда удовлетворяют требованиям безопасности и гигиены. Технические устройства для нормализации показателей микроклимата в водительских кабинах бульдозеров позволяют улучшить условия труда и повысить производительность труда. Цели: Авторское исследование создания комфортных условий труда путем улучшения дизайна и конструкции самих кабин, а также систем нагрева, охлаждения и фильтрации воздуха. Методология: В процессе исследования проблемы условий труда в кабинах тракторов использовались методы логического и статистического анализа, синтеза, а также некоторые методы практического (частного) метода исследования (наблюдение, сравнение, эксперимент).
Результаты: На территории Тюменской области за последние три года произошло значительное увеличение технического уровня тракторов, улучшились условия работы трактористов. В то же время проблемы обеспечения комфортных условий работы для операторов недостаточно исследованы и развиты. Выводы: Предлагаемые технические системы могут обеспечить комфортные условия работы для операторов, значительно облегчить их работу и сэкономить экономические и энергетические ресурсы. Дальнейшее совершенствование представленных ранее устройств продолжается.
Ключевые слова: микроклимат, компенсация теплопоступле-ний, теплозащита, комфортные условия труда, охладители, влажность воздуха
Введение
В целях улучшения материальной и технической базы предприятий всех форм собственности и повышения эффективности использования сельскохозяйственных машин и строительного оборудования целесообразно создавать новые высокопроизводительные агрегаты, системы сельскохозяйственных машин, строительное оборудование, параметры и характеристики которых имеют научную обоснованность и прошли производственные испытания.
Не все сельскохозяйственные и строительные машины полностью удовлетворяют требованиям безопасности и гигиены труда, в том числе колесных тракторов. Анализ развития тракторов в строительстве показывает, что в последние три года произошло значительное увеличение технического уровня тракторов, улучшились условия работы трактористов. В то же время проблемы обеспечения комфортных условий работы для операторов недостаточно исследованы и развиты.
Операторы сельскохозяйственных и строительных машин в нашей стране работают в неудобных условиях с экстремальным климатом 15-25% времени в осенний и весенний период, и 45-55% в летний период. Это приводит к снижению производительности, повышению заболеваемости среди операторов, повышению оборота персонала внутри фирмы, и значительным финансовым убыткам - все это выступает препятствием для развития сельского хозяйства.
Согласно ряду авторов [1-7] комфортные условия труда улучшают производительность работников на 18-25%.
Целью исследования являлось изучение возможности создания комфортных условий труда путем улучшения дизайна и конструкции самих кабин, а также систем нагрева, охлаждения и фильтрации воздуха.
Исследование финансируется за счет средств Тюменского индустриального университета
Материалы и методы
Основная рабочая зона для трактора - это кабина водителя, с сидением, органами контроля и дисплеем. Основные требования к кабинам водителя, размещение органов контроля, регулируются ГОСТ 12.2.019-86, ГОСТ 12.2.120-88, а также положениями ГОСТ 12.2.032-78 «Рабочие условия при сидении. Общие эргономические требования».
Исследования рабочего места тракториста показали, что рабочее место оператора трактора К-701 удовлетворяет основным требованиям.
Исследование проводилось в летний период с использованием портативного лабораторного обо-
О *
О X
о 3
5 *
и
с т ■и о
5 Т
Ф
а т
о
Т
а
8)
рудования КИ-28108. В частности, микроклиматические показатели были определены метеометром МЭС-2 ЯВША 416311.000-01, зав.№0678/3043, аттестован 6.06.2022.
Условия проведения испытаний по установлению показателей скорости воздуха, его влажности, температуры:
- Первый цикл состоял в том, чтобы все окнами и дверями и люки
закрыть и произвести замеры ; -Второй цикл состоял в том, чтобы произвести замеры открытыми с окнами и дверями;
-Третий цикл состоял в том, чтобы произвести замеры с закрытыми окнами и дверями, но система кондиционирования в кабине была включена.
Исследование проводилось для оценки эффективности средств стабилизации и нормализации микроклимата в кабинах тракторов: охладитель водоиспарительного типа, вентиляционная система закрытого цикла с использованием устройств для охлаждения воздушного потока (вихревая труба).
В настоящее время на тракторах, изготовленных на заводах в Минске, Кирове, Ташкенте и Волгограде устанавливаются водоиспарительные охладители, а в отдельных случаях- и кондиционеры с хладоновым агентом в радиаторах. Тем не менее, такие охлаждающие воздух в кабине системы могут способствовать некоторому улучшению теплового режима в кабине только в районах с сухим и горячим климатом из-за повышенной влажности. Для достижения желаемого охлаждающего эффекта кабины вентилируются.
Системы и устройства косвенного охлаждения находятся в дальнейшей разработке. Один из таких холодильников был разработан [8] и тестирован в пригороде Тюмени. Водоиспарительное холодильное устройство (Рисунок 1) монтируется на кабине трактора К-701.
Вместо вентиляционного люка установлен специальный пластиковый контейнер-лоток. У лотка есть двойное дно. Между стенок днища лотка проложен материал в высокой степенью термической инерции (пенопласт или вспененный полистирол). Контейнер-лоток и крыша кабины трактора для достижения эффекта вентиляции находятся на расстоянии 100 мм друг от друга.
Внутри лотка проложена губчатая резина, которая смачивается водой из резервуара и всегда находится в смоченном состоянии.
Чтобы подать воду в лоток, конструктивно предусмотрен контейнер воды, электрический водяной насос малой мощности, и питающий трубопровод с форсунками (для распыления), установленными над кабиной трактора. Попадание пыли в лоток-контейнер не оказывает отрицательного эффекта, но, наоборот, фактически улучшает процесс охлаждения. Чтобы эффективно испарять воду для охлаждения крыши кабины, над ней устанавливается экран, сделанный из термоизоляционного материала.
Эффективность предлагаемого охладителя оценивалась полезной мощностью охлаждения по методике, разработанной в микроклиматической лаборатории [9]. Для условий, при которых эксперимент проводился, это было выражено сокращением потока тепла в 460 ватт в кабину трактора.
Эффективность предлагаемого устройства охлаждения зависит от температуры наружного воздуха, потока солнечной радиации и скорости ветра. Простота конструкции, доступные материалы и удобство использования - главные достоинства этого устройства.
Кроме того, когда машина работает в холодную погоду, температурный зазор между экраном и крышей кабины может быть закрыт вокруг периметра с помощью шторок-жалюзи, в результате чего образуется плоская поверхность с невентилируемым воздушным слоем, которая обладает хорошей тепловой устойчивостью, что приводит к снижению потери тепла из кабины.
Эффект охлаждения в кабине улучшился путем установки системы охлаждения и вентиляции воздуха, состоящей из следующих компонентов:
1. Стандартный компрессор, установленный на тракторе
2. Воздуховод с форсунками
3. Вихревая труба (см. рис.2).
(О
сч о сч
Рис.1 Система охлаждения для тракторной кабины К-701 Компоненты включают: 1-контейнер-лоток, 2-фиксирующий кронштейн , 3-защитный экран (от солнечных лучей) , 4-пода-ющий трубопровод для воды , 5-электрический водяной насос, 6- водный резервуар.
Рис.2 Вихревой холодильно-нагревательный аппарат. Компоненты включают: 1-расширительная камера, 2-сопло-вое устройство, 3-диафрагма, 4--диффузор
Охлажденный воздух из вихревой трубы [10] попадал в кабину, распылялся воздушными форсунками по ее объему, охлаждал тракториста и стенки кабины, а затем возвращался снова в вихревую трубу для дальнейшей сепарации и разделения. Вихревая труба смонтирована снаружи кабины, компрессор использовался штатный.
Охладительное воздушное устройство(вихревая труба) состоит из расширительной камеры 1, соплового устройства 2, диафрагмы 3, диффузора 4. Горячий воздух, генерируемый трубой, выбрасывается в атмосферу, а холодный воздух - поступает в воздуховод и запитывает кабину и воздушные форсунки внутри нее.
Результаты
Результаты сравнительных испытаний кабины трактора К-701 с отключенной и включенной системой охлаждения на рабочем месте тракториста внутри этой кабины показаны в виде температурных полей на рис.3 и рис.4.
Рис. 3 Поля температур и тепловые потоки в продольном разрезе кабины без включенной системы охлаждения при дн-650 Вт/м2, направлении ветра Ю-В, Vн = 8,6 м/с, Н=25°С.
Рис. 4 Поле температур и тепловых потоков в продольном разрезе кабины с охладителя при дн-650 Вт/м2, направлении ветра Ю-В, Vн = 8,6 м/с, Н=25°С.
Указанные на рисунке ортогональные проекции к изотермам наглядно отображают направление термического потока.
Анализ тепловой среды стандартной кабины трактора К-701 (Рис.3) показывает, что основным источником теплового потока в кабины является крыша, которая имеет наиболее значительную при анализе температуру. Как показано на рисунке 4, установка охлаждающего и экрана на крыше кабины снизила температуру крыши кабины почти на 22°С и сделала ее стенкой, с которой происходит сток температуры с кабины. Температура воздуха одновременно снизилась на 7-8°С и стала намного более плавной и унифицированной во всем объеме кабины. Средняя температура поверхностей, отображаемых на картинках, снизилась с 38,3°С до 31,1°С, соответственно. Влажность в кабине увеличилась на 5% при установке предлагаемого охлаждающего устройства. Единственным источником тепла в этом случае является индикаторная панель и передняя стенка кабины.
Таблица 1 показывает, что использование вихревой трубы для охлаждения воздуха оказывает положительный эффект на водителя трактора из-за снижения температуры воздуха в кабине до оптимальной и комфортной величины. В тоже время, показатель влажности воздуха остается на высоком уровне. Показатели скорости воздуха, полученные при экспериментах, значительно превышают допустимые по ГОСТ значения.
Таблица 1
Показатели микроклимата в кабине трактора К-701 на рабо-
Показатели Первый режим Второй режим Третий режим
До начала работы Через 1 час До начала работы Через 1 час До начала работы Через 1 час
Температура воздуха, °С 23,4 44,5 23,4 36,4 23,4 17,2
Влажность воз-духа,% 54,7 91,1 54,7 60,8 54,7 73,4
Скорость воздуха, м/с 0,31 0,42 0,31 0,71 0,31 1,63
Обсуждение
1.Разработан прототип воздушного бортового кондиционера воздуха, включающий в себя водо-испарительный охладитель и вихревую трубу. Прототип был разработан и протестирован для последующего использования в тракторной кабине К-701.
2. Данные, полученные при натурных испытаниях опытных установок, свидетельствуют о достаточной производительности и высокой степени хо-лодопроизводительности для предлагаемой системы кондиционирования воздуха [5], что превышает эффективность коммерчески доступного кондиционера ВТ-300. Предложенный образец охладителя воздуха на основе поддона с губчатой резиной и защитным экраном - простой и надежный.
О *
О X
о 3
5 *
и
с т ■и о
5 Т
Ф
а т
о
Т
а
8)
(О
сч о сч
3. Элемент прототипа воздушного бортового кондиционера воздуха, основанный на вихревой трубе, показал простоту и высокую эффективность. В нем нет паяных изделий, которые боятся вибраций (как в компрессионных холодильниках на хладоне).
Полученные результаты позволяют уяснить направление и величину тепловых потоков, а также принципиальную возможность реализации технического решения по нормализации микроклимата внутри кабины водителя. Полученные числовые данные позволяют осуществить проектирование систем нормализации микроклимата. Планируется продолжить исследования тепловых потоков в кабине с учетом применения новых материалов для теплозащиты стенок кабин, новых типов жалюзи на окнах.
Даже при вышеперечисленных недостатках предлагаемая система может обеспечить комфортные условия работы для операторов, значительно облегчить их работу и сэкономить экономические и энергетические ресурсы. Дальнейшее совершенствование представленных ранее устройств продолжается.
Выводы
Предлагаемые технические системы могут обеспечить комфортные условия работы для операторов, значительно облегчить их работу и сэкономить экономические и энергетические ресурсы. Дальнейшее совершенствование представленных ранее устройств продолжается.
Литература
1. Пинчук А.А., Белохвостов Г.И., Андруш В.Г. Анализ микроклиматических условий труда в кабинах мобильной сельскохозяйственной техники. Исследование температуры и скорости движения воздуха в кабине трактора «Беларус 82.1//Агропано-рама.2021.№6 (148).С.11
2. Мисун А.Л., Азаренко В.В., Мисун Л.В. Направления улучшения микроклиматических условий труда в кабине мобильной сельскохозяйственной техники//Мехинизайия и электрификация сельского хозяйства.202.№55(2022).С.275
3. Перевозчикова Н.В., Накып А.Н. Оценка микроклимата в кабине трактора// http://elib.timacad.ru/dl/full/boltinskij-48-2021-2.pdf/download/boltinskij-48-2021-2.pdf. Доступ 27.03.2023
4. Аверьянов Ю.И., Смирнов Д.В. Компоновка кабины мобильной сельскохозяйственной машины средствами нормализации микроклимата в условиях теплого периода года // https://rusapk.sursau.ru/upload/iblock/87c/apk-73.pdf. Доступ 27.03.2023
5. Гигиена труда при работе на сельскохозяйственных машинах// http://m-sestra.ru/books/item/f00/s00/z0000007/st113.shtml. Доступ 27.03.2023
6. Направления улучшения микроклимата производственной среды в кабине мобильной сельскохозяйственной техники//
https://panor.ru/articles/napravleniya-uluchsheniya-mikroklimata-proizvodstvennoy-sredy-v-kabine-mobilnoy-selskokhozyaystvennoy-tekhniki/20575.html. Доступ 27.03.2023
7. Микроклимат в салоне// http://zelentsovsa.ru/myweb2/KK5.html. Доступ 27.03.2023
8. Авторское свидетельство 1169844 (СССР). Охладитель для кабин транспортного средства. А. И. Гавриченко. — Заявл. 23.05.83. Опубл. 30.07.85 в Б. И. № 28, В60Н 1/32— УДК 629.113.06: 628 (088,8),
9. Авторское свидетельство 1219929 (СССР); Способ определения эффективности средств теплозащиты кабины транспортного средства. А. И. Гавриченко, К.Н. Белоус. —Заявл. 31.07.84: Опубл 23.03.88 Б. И. № 11; G01K17/08; В60Н1/22.
10. Яковлев А. Б. Разработка вихревых аппаратов осушки сжатого воздуха для систем наземного стартового комплекса // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 2. С. 111-116. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-111-116.
Study of microclimate indicators in the cabin of a construction bulldozer Kormin A-М.
Tyumen Industrial University
Importance: The problem of poor working conditions in tractor cabs affects the health of drivers. The working conditions in the cabs of construction and agricultural tractors do not always meet the safety and hygiene requirements. Technical devices for the normalization of microclimate indicators in the driver's cabs of bulldozers can improve working conditions and increase labor productivity. Objectives: The author's study of creating comfortable working conditions by improving the design and construction of the cabins themselves, as well as heating, cooling and air filtration systems. Methods: In the process of studying the problem of working conditions in tractor cabs, methods of logical and statistical analysis, synthesis, as well as some methods of a practical (private) research method (observation, comparison, experiment) were used. Result: On the territory of the Tyumen region over the past three years there has been a significant increase in the technical level of tractors, the working conditions of tractor drivers have improved. At the same time, the problems of providing comfortable working conditions for operators have not been sufficiently studied and developed. Conclusions: The proposed technical systems can provide comfortable working conditions for operators, greatly facilitate their work and save economic and energy resources. Further improvement of the previously presented devices continues. Keywords: microclimate, heat input compensation, thermal protection,
comfortable working conditions, coolers, air humidity References
1. Pinchuk A.A., Belokhvostov G.I., Andrush V.G. Analysis of microclimatic
working conditions in the cabins of mobile agricultural machinery. Study of the temperature and speed of air movement in the tractor cabin "Bela-rus 82.1//Agropanorama.2021.№6 (148).С.11
2. Misun A.L., Azarenko V.V., Misun L.V. Directions for improving micro-climatic
working conditions in the cabin of mobile agricultural equipment // Mechanization and electrification of agriculture. 202. No. 55 (2022). P. 275
3. Perevozchikova N.V., Nakyp A.N. Evaluation of the microclimate in the tractor
cab// http://elib.timacad.ru/dl/full/boltinskij-48-2021-
2.pdf/download/boltinskij-48-2021-2.pdf. Access 03/27/2023
4. Averyanov Yu.I., Smirnov D.V. Layout of the cabin of a mobile agricultural
machine by means of normalizing the microclimate in the conditions of the warm period of the year // https://rusapk.sursau.ru/upload/iblock/87c/apk-73.pdf. Access 03/27/2023
5. Occupational health when working on agricultural machines// http://m-
sestra.ru/books/item/f00/s00/z0000007/st113.shtml. Access 03/27/2023
6. Directions for improving the microclimate of the working environment in the
cabin of mobile agricultural machinery Access 03/27/2023
7. Microclimate in the cabin // http://zelentsovsa.ru/myweb2/KK5.html. Access
03/27/2023
8. Copyright certificate 1169844 (USSR). Cooler for vehicle cabs. A. I.
Gavrichenko. — Appl. 05/23/83. Published 07/30/85 in B.I. No. 28, V60N 1/32 - UDC 629.113.06: 628 (088.8),
9. Copyright certificate 1219929 (USSR); A method for determining the
effectiveness of means of thermal protection of the vehicle cabin. A. I. Gavrichenko, K.N. Belous. — Appl. 07/31/84: Published on 03/23/88 B. I. No. 11; G01K17/08; B60H1/22. 10. Yakovlev A. B. Development of vortex apparatus for drying compressed air for systems of a ground launch complex // Omsk Scientific Bulletin. Ser. Aviation-rocket and power engineering. 2020. V. 4, No. 2. S. 111-116. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-111-116.
