Удосконалення конструкції кабіни з поліпшенням мікроклімату для самохідної сільськогосподарської техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 631.3(075.8):621

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ КАБІНИ

З ПОЛІПШЕННЯМ МІКРОКЛІМАТУ ДЛЯ САМОХІДНОЇ

СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ ТЕХНІКИ

05.05.11 - машини і засоби механізації

сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тарасенко Світлана Євгенівна

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету міністрів України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Бойко Анатолій Іванович,

Національний аграрний університет, завідувач кафедри конструювання машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пастушенко Сергій Іванович,

Миколаївський державний аграрний університет, декан факультету механізації сільського господарства, завідувач кафедри теоретичної та прикладної механіки

кандидат технічних наук

Козирєв Сергій Миколайович,

Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, завідувач лабораторії ергономіки та техніки безпеки

Провідна установа - Кіровоградський національний технічний університет, кафедра сільськогосподарського машинобудування, Міністерство освіти і науки України, м. Кіровоград

Захист дисертації відбудеться „27” вересня 2005 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус №3, аудиторія 65

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м.Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус №4, кімната 41

Автореферат розісланий „26 ”серпня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Войтюк Д.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Трактори, кормо-, зерно-, бурякозбиральні комбайни та інші сільськогосподарські машини, що розробляються і використовуються у вітчизняному сільському господарстві, обладнані кабінами, які не повністю відповідають сучасним вимогам щодо забезпечення повітряно-теплових режимів. Один з їх головних недоліків полягає в тому, що в їх конструкціях не в повній мірі вирішені питання створення необхідних, достатньо комфортних умов праці обслуговуючого персоналу. Спостерігаються значні нерівномірності розподілення швидкостей і температур повітря, які супроводжуються недоцільними втратами енергії при організації обмінних процесів. Фактори, які визначають повітряно-теплові режими, накладаючись один на одного, обумовлюють складність тепломасообміну в замкненому відносно невеликому об'ємі високих кабін сільськогосподарських машин.

До теперішнього часу не розроблена методика комплексного дослідження даних режимів в кабінах тракторів і сільськогосподарських машин з урахуванням основних факторів, які передумовлюють їх внутрішній мікроклімат. Повітряні і теплові процеси, що проходять в кабінах, в значній мірі визначаються їх конструктивною формою, засобами захисту і збереження теплових потоків, а також оптимальною кількістю і розташуванням повітряно-теплових джерел.

Зменшення витрат енергії при забезпеченні комфортних умов роботи операторів в кабінах сприятиме підвищенню продуктивності праці і ефективнішому використанню сільськогосподарської техніки. Однак вирішення поставлених задач в значній мірі стримується відсутністю наукових досліджень і обґрунтованих рекомендацій для проектування кабін. Викладене вказує на актуальність даної проблеми і на необхідність проведення додаткових досліджень в цьому напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі конструювання машин Національного аграрного університету (НАУ) у відповідності до плану науково-дослідних робіт за держбюджетною тематикою: „Розробка методів підвищення надійності вузлів і деталей сільськогосподарської техніки та новітніх технологій її проектування і виготовлення”.

Мета роботи - забезпечення комфортних умов праці шляхом оптимального проектування енергозберігаючих кабін тракторів і самохідних сільськогосподарських машин.

Задачі досліджень:

У відповідності із сформульованою метою в дисертаційній роботі поставлені наступні задачі досліджень:

1. Проаналізувати повітряно-теплові режими в кабінах тракторів, комбайнів та інших сільськогосподарських машин, визначити необхідні умови комфортності та енергозбереження в кабінах.

2. Оптимізувати параметри комфортних кабін на основі моделювання процесів тепломасообміну в їх внутрішньому просторі.

3. Встановити основні конструктивні параметри комфортних кабін, виходячи із закономірностей розподілу повітряно-теплових потоків в їх замкнутих об'ємах.

4. Виявити ефективні засоби обмежень теплообміну і обміну енергії між внутрішнім об'ємом кабін і зовнішнім середовищем, в якому експлуатуються мобільні сільськогосподарські машини.

5. Розробити рекомендації по проектуванню енергозберігаючих комфортних кабін, які забезпечують зниження рівня витрат енергії і сприяють підвищенню продуктивності праці операторів як в зимові, так і в літні періоди роботи.

Об'єкт досліджень - оптимізація проектування комфортних енергозберігаючих кабін сільськогосподарських машин, виходячи з закономірностей тепломасообміну у їх внутрішньому середовищі.

Предмет досліджень - фізичні і математичні моделі елементів комфортних кабін і їх внутрішньої побудови з обґрунтуванням необхідних енергозберігаючих параметрів.

Основні методи досліджень - теоретичні дослідження, виконані з використанням елементів лінійного програмування, теорії оптимального конструювання. Використано методи математичного і фізичного моделювання.

Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних і експлуатаційних умовах на тракторах і комбайнах, а також у термобарокамері, де моделювались теплові і повітряні режими кабін. Параметри масового і температурного обміну визначались на фізичних моделях із залученням сучасної вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

- проведено комплексне теоретичне і експериментальне дослідження повітряних і теплових режимів в кабінах самохідних сільськогосподарських машин;

- моделюванням теплообмінних процесів в приміщенні кабін встановлені оптимальні значення кількості джерел і координати їх розташування для створення ізотермічних температурних полів, які сприяють умовам комфортності;

- розроблена методика визначення параметрів комфортних кабін, виходячи з теплообмінних процесів, які протікають в багатошарових огороджувальних конструкціях каркасу, а також впливу теплопередачі від тіла оператора;

- методом візуалізації встановлені характерні особливості розподілення повітряно-теплових потоків в кабінах і запропоновано ряд нових технічних рішень, які сприяють досягненню комфортних умов праці при економічних втратах енергії.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці технічної системи, яка забезпечує зниження енерговитрат на теплообмінні процеси і кондиціювання повітря в приміщенні кабін, що сприяє підвищенню комфортних умов і продуктивності праці обслуговуючого персоналу.

Запропоновані конкретні заходи по удосконаленню існуючих конструкцій кабін з метою підвищення їх комфортності. Внесені зміни в схеми розташування впускних і випускних каналів повітряно-обмінних систем.

Двошарове світло-прозоре огородження запропоновано в конструкціях кабін сільгосптехніки, яка випускається Дніпропетровським комбайновим заводом.

Реалізація розроблених методик проектування сучасних кабін дала змогу при застосуванні ЕОМ розширити і підвищити рівень проектних робіт по створенню сучасних кабін для сільськогосподарських машин. Розроблена методика апробована на ВАТ „ХТЗ” і ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”, яким передані відповідні рекомендації.

Матеріали дисертації найшли використання в учбовому процесі НАУ.

Особистий внесок здобувача - полягає в постановці та вирішенні наукових задач, виконанні теоретичних і експериментальних досліджень. Автору належить аналіз і узагальнення результатів досліджень. Основні положення і результати досліджень сформульовані і отримані автором самостійно, а саме:

- математичне моделювання теплопередачі через огородження кабіни з урахуванням впливу сонячного випромінювання і струменевих потоків у кабіні з врахуванням тепловіддачі тілом оператора;

- визначення теплових режимів у кабінах сільськогосподарських машин і оптимізація їх конструктивних рішень;

- встановлення розподілу повітряних потоків і обґрунтування їх режимів в залежності від конструктивних особливостей кабін, які проектуються.

В опублікованих працях за темою дисертації частка здобувача складає від 70 до 85%.

Апробація роботи. Основні результати роботи представлялися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на наступних конференціях:

International Symposium on Advances in Liquid-Liquid Two. Phose Flow and Transport Phenomena. 12-15 November, 1997, Antalya, Turkey; международной научно-технической конференции: “Энергосбережение в сельском хозяйстве”. 6-7 октября 1998г., Москва (ВИЭСХ); VІІ Науково-практичної конференції Міністерства енергетики України „Нетрадиційні та поновлювані джерела енергії” (31 серпня - 5 вересня 1998р., АР Крим); Наукових семінарах НАУ „Енергозбереження в сільському господарстві”, грудень 1998р. квітень 1999р.; щорічних науково-технічних конференціях НАУ, 1998-2004рр.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 8 наукових статтях, в тому числі 3 з них видані без співавторства. Всі статті опубліковані в фахових виданнях, затверджених „Переліком ВАК...”.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновків і рекомендацій, списку використаних літературних джерел і додатків.

Основна частина дисертації містить 181 сторінок друкованого тексту, 8 таблиць, 41 рисунків, 116 назв бібліографічних посилань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, дана загальна характеристика роботи, сформульована мета дослідження.

У першому розділі „Стан проблеми енергозбереження і забезпечення комфортних умов у кабінах сільськогосподарських самохідних машин” приведений аналіз досліджень, присвячених комфорту кабін транспортних машин. Це роботи: Кальченко Б.І., Количева Б.І., Сеянникової М.Г., Михайлова В.А., Маляренко Л.Г., в яких показані конструктивні особливості систем забезпечення сприятливих умов праці. Питанням повітряно-теплового переносу енергії присвячені дослідження Драганова Б.Х., Пастушенко С.І. та інших.

Комфортність кабін обумовлюється не тільки застосуванням відповідного обладнання, але також геометрією і конструкцією стінок засклених поверхонь, взаємним розташуванням і параметрами елементів формування повітряно-теплових потоків. Це багатофакторна комплексна задача, вирішення якої потребує всебічного системного підходу.

На основі аналізу вітчизняних і закордонних робіт зроблений висновок, що проблема проектування і розробки енергозберігаючих кабін сільськогосподарських машин ще недостатньо вивчена. Відсутні рекомендації щодо економії енергії існуючих в експлуатації машин. Не розроблені методики проектування комфортних кабін на основі аналізу струминних течій і теплових потоків з урахуванням тепловиділень тілом оператора.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі „Загальна характеристика теплового режиму кабін”, розглядається взаємодія комплексу „людина - машина - середовище перебування”, тобто ергономічна система.

Для визначення втрат тепла з кабіни запропонована математична модель нестаціонарної теплопередачі через n - шарну стінку. При цьому усі внутрішні задачі сформульовані з відповідними граничними умовами. Це дало змогу отримати систему рівнянь, яка вирішена чисельними методами. Результати розрахунків приведені в розділі 5.

На тепловий режим кабіни впливає сонячне випромінювання і тепловиділення тілом оператора. У роботі приведені розрахункові формули для визначення конвективної і радіаційної складових теплопродукції тіла оператора з урахуванням роду роботи, температури навколишнього середовища та характеристик одягу.

Таким чином, проаналізована вся сукупність теплових потоків, що мають місце в кабінах.

На підставі цього розроблена математична модель теплового балансу при забезпеченні комфорту кабін тракторів і сільськогосподарських машин, які мають невеликий об'єм при відносно значній висоті. У функціональному вигляді модель представляється рівнянням:

(1)

де М - теплопродукція оператора; - ККД роботи оператора; N - інтенсивність роботи; - тепловий потік, що визначається випаровуванням вологи в шкірі і наступній дифузії через шкіру; - тепловий потік, пов'язаний з нагріванням повітря що вдихається; - тепловий потік, який визначається випаровуванням поту, що виділяється на поверхні шкіри; - конвективний тепловий потік з поверхні одягу в навколишнє середовище; - тепловий потік, пов'язаний із зволоженням повітря, яке вдихається; - радіаційний тепловий потік між одягом і навколишніми поверхнями; Рк - парціальний тиск пари води при температурі шкіри; РА - парціальний тиск пари води у повітрі, що вдихається при температурі tА в кабіні; - коефіцієнт масообміну; Rод - термічний опір одягу; Кувл - коефіцієнт зволоження шкіри; к, л - коефіцієнти теплопередачі з поверхні тіла відповідно конвекцією і випромінюванням; tогр - температура внутрішньої поверхні огородження кабіни.

Рух повітря у кабінах, які вентилюються, відбувається в результаті розвитку і взаємодії струминних потоків. Характер повітряних потоків у значній мірі визначається місцезнаходженням повітророзподільних пристроїв, направленням струминних потоків, швидкістю і температурою повітря, що подається в кабіну. Приточні струмені є турбулентними, при омиванні ними стінок кабіни утворюються пограничні шари. Неізотермічний струмінь може помітно відхилитися від початкового напрямку під дією гравітаційних сил. При аналізі гідродинаміки повітряних потоків, що мають місце в кабіні, розглянуто: пристінний турбулентний струмінь, що настилається; струмінь, що настилається на поверхні стелі з урахуванням гравітаційних сил; струмінь, що настилається на вертикальну поверхню огородження; затоплений струмінь.

У третьому розділі „ Оптимізація конструктивних рішень комфортних кабін” приведена постановка задачі оптимізації, послідовність і алгоритм проектування, а також результати досліджень розподілу температур у внутрішньому об'ємі кабін.

Для нормальної роботи оператора необхідна комфортна температура внутрішнього середовища tк. Підтримка такої температури повинна здійснюватись технічними засобами, встановленими в кабіні.

Якщо прийняти, що продуктивність всіх джерел тепло-повітряного обміну однакова, то щільність теплового потоку окремого джерела може визначатись рівнянням:

(2)

де n - кількість джерел; S - площа поверхні кабіни.

Завданням оптимального проектування комфортних кабін є створення в їх об'ємі найбільш рівномірного температурного поля при виборі мінімальної кількості раціонально розташованих джерел. Тобто змінні проектування і визначають сам проект комфортної кабіни. Схематично кабіна сільськогосподарської машини з десятьма можливими джерелами представлена на рис. 1.

Величина температури від кожного з джерел залежить від теплопровідних властивостей і особливостей розповсюдження повітря, а також від відстані між джерелом і точкою контролю.

Виходячи із закону теплопровідності та конвективного теплообміну температури в контрольних точках кабін можливо визначити наступним чином:

(3)

де tn - температура повітря на виході з джерела; l - відстань між джерелом і контрольною точкою; Nu - число Нуссельта; л - теплопровідність середовища.

Комфортним слід вважати такий стан, коли виконуються умови tj~tк. В наслідок різниці між температурами маємо:

(4)

Якщо ця різниця перебільшує деяку прийнятну для відхилення комфортну температуру, тобто:

(5)

то необхідні конструктивні дії по удосконаленню теплового режиму кабін: збільшення кількості джерел, або пошук кращих координат їх розташування.

Таким чином першою умовою оптимізації конструктивного рішення є:

(6)

а другою:

(7)

Виконання цих двох умов включає в себе вимогу того, що і різниця температур між окремими контрольними точками не буде суттєво відхилятися від комфортної температури.

Алгоритм оптимального проектування комфортних кабін, розроблений для вирішення поставленої задачі, представлений на рис. 2. Реалізація алгоритму виконана при чисельних розрахунках з використанням ПЕОМ.

Враховуючи, що положення джерел 3 і 4 (рис.1) конструктивно пов'язані з лобовим склом кабін і вони крім обігріву повинні забезпечувати прозорість скла в зимовий період, для контрольних точок розраховані значення температур від цих джерел. Як виявилось, для вирівнювання температурного поля на першому етапі проектування доцільно включити в роботу тільки джерело 1, яке обігріває переважно ноги оператора. Результати досліджень впливу переміщень джерела 1 на розподіл температур в контрольних точках А, Б, В і Г представлені на рис. 3.

Як видно з отриманих даних, графіки залежностей представляються двома групами, які розділені деяким температурним інтервалом (~2°С). Причому абсолютні значення температур в точці Б вищі, ніж в точці А. Тобто, в області рук оператора температура вища, ніж в області ніг. Найбільше їх зближення відповідає знаходженню джерела 1 в інтервалі 0,4м ? У1 ? 0,25м, який і можна прийняти за оптимальний на даному етапі проектування.

Аналіз отриманих результатів показує, що для досягнення більш рівномірного поля в кабіні потрібно зменшити температурний інтервал між групами графічних залежностей. Особливо це необхідно для контрольної точки Г, яка відповідає положенню спини оператора.

Вирішуючи комплексно задачу підвищення температури в точці Г, введено в дію додаткове джерело, яке розташоване найближче до неї. Таким чином в наступний етап проектування комфортної кабіни включено нове джерело теплообміну - джерело 7 (рис. 1).

Вибравши крок ітерацій ДУ=0,25м визначено п'ять можливих варіантів координат джерела 7: У7І=0м; У7ІІ=0,25м; У7ІІІ=0,5м; У7ІV=0,75м; У7V=1,0м.

Виконаними розрахунками системи терморегуляції кабіни з чотирма працюючими джерелами (3, 4, 1, 7) встановлені температури в контрольних точках А, Б, В і Г

Аналізуючи отримані результати можна констатувати, що в даному випадку спостерігається згладжування температурних кривих. Встановлена незначна різниця в температурах між точками В і Г. Це вказує на те, що введення джерела 7 не тільки компенсує різницю в температурах, але ще й піднімає загальний рівень температур у вказаних точках майже на 1°С.

Позитивними слід вважати також скорочення температурного інтервалу між групами кривих А, Б і В, Г до 1,2°С.

Слід відмітити, що науковий і практичний інтерес представляють не стільки абсолютні значення температур в контрольних точках (вони легко регулюються загальною зміною температури повітря, яке подається), скільки зниження їх різниці, яка формує ізотермічне поле в об'ємі кабіни. З цією метою аналізуючи отримані результати доцільно поставити завдання подальшого зближення груп графіків. В межах вирішуваної задачі це означає підключення ще одного джерела зі спини оператора (джерела 8, рис. 1).

Варіювання положеннями джерел 7 і 8 дозволило встановити, що найбільша рівномірність температурного поля досягається при положенні джерела 7 в координаті У7=0,25м.

Вплив переміщення джерела 8 на розподіл температур представлено на рис. 4.

Аналіз отриманих залежностей свідчить про зближення температур в контрольних точках. Максимальний інтервал між групами кривих скоротився до 0,4°С. Всі залежності наблизились до прямолінійних і показують на деяке зниження температур при переміщенні джерела 8 до дальньої бокової стінки кабіни. Різниця між температурами в контрольних точках не перебільшує 1°С, що є мінімальним із всіх розглянутих варіантів конструкцій кабіни.

Таким чином, покрокова оптимізація конструктивних рішень комфортних кабін сільськогосподарських машин на основі реалізації методу послідовного приближення виявила складність моделювання процесу формування ізотермічного поля в кабінах. Однак проведеними дослідженнями встановлено, що достатня рівномірність теплового поля, яка і обумовлює комфортність в кабіні, досягається при встановленні не менш 5 джерел теплообміну, розташованих згідно координат представлених в таблиці 1.

Таблиця 1

Координати джерел тепло-повітряного обміну комфортної кабіни для сільськогосподарських машин

Джерело	Координати
	х, м	у, м	z, м
3	0	0,15	0,7
4	0	0,85	0,7
1	0	0,25	0
7	1,2	0,25	0,7
8	1,2	0,75	0,7

У четвертому розділі „Експериментальні дослідження теплових і повітряних режимів в кабінах” методом візуалізації струминних потоків визначенні їх структури і за тіньограмами надані рекомендації щодо поліпшення аеродинамічних характеристик конструктивних елементів кабін.

Одним із найменш вивчених джерел теплового режиму в кабінах тракторів і сільськогосподарських машин є тепловіддача тілом оператора. У зв'язку з цим у роботі експериментальними дослідженнями були встановлені залежності тепловиділення тілом людини від температури навколишнього середовища. Дослідження проводилися в кліматичній камері КиївЗНІІЕПа над двома людьми однакового росту і маси (відхилення не більше 5 %). Вони були, відповідно, однаково одягнені. Один з них знаходився у спокої, інший виконував фізичні вправи середньої важкості. Температуру в камері, де знаходилися “оператори”, змінювалася через кожні п'ять градусів від -22 до -2С. Кожний режим встановлювався протягом 30 хвилин. Значення температур на поверхнях тіл визначалося безконтактним пірометром ПСІ-14. Відповідно до розрахункових залежностей, приведених у другому розділі роботи, встановлювались значення конвективної і променистої складових теплопередачі тілами “операторів”. Результати досліджень представлені графіками на рис. 5.

Як видно з отриманих залежностей, температура відкритих ділянок тіла суттєво залежить від значення температури зовнішнього середовища.

При фізичному навантаженні температура поверхні обличчя на 3,0...3,5С вища, ніж коли людина знаходиться в спокої. Температура рук на 2,0...5,5С нижча температури лиця. Це, на нашу думку, обумовлено більш ефективною терморегуляцією тіла в області голови.

Температура поверхні рук в меншій степені залежить від навантаження “оператора”, тобто від того, працює він чи ні.

Відмінності в температурі спостерігаються і для інших ділянок тіла. Так, ноги і поверхня одягу “операторів”, незалежно від того працюють вони чи ні, мають температуру дещо нижчу, ніж інші поверхні тіла (рис. 5).

При зміні температури навколишнього середовища від -2С до -22С, тото на 20С, температура оголеної поверхні (обличчя) оператора, що знаходиться в спокої, падала з 18С до 8,8С, тобто на 9,2С. При виконанні роботи вона відповідно зменшувалась з 20,6С до 10,6С. Температура поверхні кисті руки в обох випадках у середньому змінювалась тільки на 5,5С. Температура поверхні одягу в середньому змінювалася від -17,3С до - 0,5С.

Швидкість повітряних потоків вимірювалась термоанемометром ТА-10 (ЛІОП) в шести горизонтальних перетинах по висоті кабіни (рис. 6): ноги оператора (1); коліна (2); кермова колонка і руки (3); голова оператора (4); область покриття кабіни (5); купол (6). Одночасно кожен горизонтальний перетин розбивався на чотири зони.

За результатами експериментальних даних побудовано розподіл швидкостей, що відбивають закономірності їх зміни по висоті кабіни.

Встановлено, що розподілення повітряних потоків і їх швидкостей в кожному з перетинів по висоті кабіни мають суттєву нерівномірність. Найбільші значення швидкостей спостерігаються в периферійних зонах на максимальній відстані від центральної вертикальної осі кабіни. По мірі наближення до центру швидкість переміщення повітряних потоків знижується. Вона падає також із збільшенням висоти від підлоги кабіни. В результаті траєкторії руху повітря визначається гвинтовою лінією. Цим забезпечується з одного боку достатній повітряний обмін, а з іншого - комфорт оператора, який знаходиться в зоні мінімальних швидкостей. Отримання рівнозатухаючого гвинтового руху потоку повітря з його поверненням для повітряного душування оператора є перспективною системою повітророзподілу для кабін тракторів і сільськогосподарських машин.

Практичне значення має вивчення переміщення повітря у вертикальній площині перерізу кабіни. Такі натурні дослідження проведені із використанням методу візуалізації повітряних потоків на установці ІАБ-458.

Обробка тіньограм дала можливість побудувати схеми повітряних потоків у кабіні трактора Т-150К при різних подачах повітря.

Дослідженнями встановлено, що потоком в основному охоплені периферійні зони кабіни. Водночас, у кабіні мають місце відривні явища і вихрові течії, що супроводжуються втратами енергії. Отримані картини течій повітря дають підставу стверджувати, що, як конструкція кабіни, так і система вентиляції трактора Т-150К не є задовільними в аеродинамічному відношенні.

Для покращення аеродинаміки потоку в кабіні трактора Т-150К запропоновано зробити радіусні спряження (R120мм) між суміжними стінками, де спостерігаються особливі інтенсивні вихрові явища.

Дослідженнями модернізованої кабіни підтверджено доцільність конструктивних змін в аеродинаміці кабіни (рис. 7).

Аналіз результатів показує, що потоком охоплено практично усе вільне від обладнання поле кабіни. Ці дані доповнюють результати, що отримані при проведенні натурних експериментальних досліджень (рис. 6).

У п'ятому розділі „Дослідження енергозбереження в кабінах” показано, що через малий тепловий опір теплопередачі огороджуючих конструкцій кабін спостерігаються значні втрати тепла у холодний період року. Для їх зменшення пропонується конструктивне рішення кабіни, яке полягає в установці додаткового енергозберігаючого екрана з прозорого оргскла.

Ефективність енергозберігаючого екрана попередньо оцінена шляхом розрахунку нестаціонарної теплопередачі через огородження кабіни. При цьому використана математична модель, яка приведена в другому розділі роботи. Розрахунки виконувалися для різних значень зовнішньої температури: t=-26; -20; -15; -10С. Температура в кабіні приймалася рівною +18С. Відстань енергозберігаючого екрана від огородження кабіни складає 40 мм. Товщина екрана э=1мм.

Закономірності зміни температури в процесі теплопередачі приведені на рис. 8.

З графіків видно, що екран істотно впливає на тепловий режим у кабіні. Так, при температурі зовнішнього середовища tн=-26С, температура на внутрішній поверхні світло-прозорого огородження дорівнює t2=-21,04С, а на внутрішній поверхні екрана, поверненого до оператора, t516С. Як видно з отриманих графіків така ж приблизно температура підтримується на внутрішній поверхні екрана при зміні зовнішньої температури від -26°С до -10°С. Це вказує на демфуючу властивість встановленого екрана, яка проявляла себе не тільки в зимовий, а й в літній період, зменшуючи інтенсивність сонячної радіації.

Вплив енергозберігаючого екрана на параметри теплових потоків кабін перевірено експериментально на моделі огороджуючої конструкції. Досліди проводилися в термобарокамері. Температури вимірювалися за допомогою термопар, а потужність теплових потоків - контактними тепломірами ВТП-11. Під час дослідів температура в тепловому відділенні дорівнювала +18С, у холодному становила: +10С; +5С; 0С; -10С; -20С. Показання термопар і тепломірів подавалися до системи автоматизованого збору і обробки інформації за допомогою ЕОМ.

Аналіз експериментальних даних підтвердив теоретичні дослідження, в результаті яких встановлено, що енергозберігаючий екран призводить до зменшення втрат теплоти із кабін більш ніж в два рази. Це означає суттєве зменшення втрат енергії на нагрівання повітря, що потрапляє в кабіну в зимовий період. Відповідно у літній період зменшуються втрати енергії на кондиціювання повітря.

У шостому розділі „Техніко-економічна ефективність впровадження результатів досліджень” показано, що для підвищення ефективності тепло- масообміну в кабінах мобільної сільськогосподарської техніки доцільно використовувати розроблену методику оптимального проектування кабін з урахуванням аеродинаміки розподілення струменів повітря. Спряження внутрішніх поверхонь доцільно виконувати з заокругленням радіусів не менше, ніж 120 мм. Найбільш ефективною подачею повітря в кабінах є комбінована, яка включає одночасну подачу на лобове скло і на оператора.

Суттєве підвищення теплового опору і поліпшення умов праці досягається шляхом встановлення додаткового захисного екрану. При цьому енерговитрати зменшуються приблизно в два рази.

Економічна ефективність від впровадження зазначених удосконалень кабін самохідної сільськогосподарської техніки за рахунок економії палива складає понад 6 тис. грн. на одну машину в рік.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Кабіни тракторів і самохідних сільськогосподарських машин, які випускаються промисловістю, не достатньо комфортні і надлишково енергоємні щодо забезпечення повітряно-теплових режимів сприятливих для продуктивної праці операторів. Проблема створення комфортних умов при одночасному збереженні енергії на даний момент не вирішена в повному обсязі. Відсутні обґрунтовані рекомендації щодо зменшення втрат і поліпшення теплових і повітряних режимів.

2. Розроблено метод оптимального проектування комфортних кабін самохідних сільськогосподарських машин, що ґрунтується на фізико-математичному моделюванні розподілу температур в замкнутих об'ємах приміщень. Необхідна рівномірність температурного поля досягається при наявності не менше п'яти джерел теплообміну, розташованих згідно встановлених координат.

3. На основі математичного моделювання процесу теплопередачі, запропоновано послідовність розрахунків багатошарових теплозахисних конструкцій кабін, яка враховує вплив сонячної радіації і тепловиділення тілом оператора. Отримана система рівнянь може бути використана для вирішення конкретних завдань по визначенню теплових втрат з кабін.

4. Методом візуалізації повітряних потоків визначено, що найбільш ефективний повітряний обмін в кабінах сільськогосподарських машин досягається при комбінованій подачі повітря в напрямку фронтального скла і на оператора з переду. Подані рекомендації щодо поліпшення аеродинаміки конструкцій каналів.

5. Суттєве зменшення опору руху повітряних потоків при зменшенні вихрових явищ досягається при виконанні спряжень суміжних стінок внутрішнього огородження кабін радіусами не менше 120 мм.

6. Дослідженнями в термобарокамері встановлено, що температура відкритих ділянок тіла оператора нелінійно наростаючи зменшується при зниженні температури навколишнього середовища. Підтверджено, що найбільш чутливою до зниження температури є верхня частина спини.

7. Встановлено, що загальне переміщення повітря в кабінах сільськогосподарських машин відбувається по гвинтоподібній траєкторії при вихровому обертанні навколо центральної вертикальної вісі. Швидкість потоку змінюється від 1,75...1,25 м/с в нижній частині кабіни до 0,25...0,15 м/с біля купола. Повітряним потоком добре охоплений весь простір кабіни.

8. Енерговитрати в теплообмінному процесі між кабіною і навколишнім середовищем знижується в два рази при:

- створенні умов ефективного повітряного обміну в приміщенні кабін без розривів і завихрювання струменів;

- застосуванні теплозахисного екрана з органічного скла товщиною 1 мм, встановленого на відстані не менше 40 мм від огороджувальної конструкції кабіни.

9. Рекомендації щодо вибору параметрів комфортних кабін передані ВАТ „ХТЗ” (м. Харків), ВАТ „Тернопільський комбайновий завод” (м. Тернопіль) і Дніпропетровському комбайновому заводу для використання при модернізації і розробці сільськогосподарських машин.

Деякі результати теоретичних і експериментальних досліджень використовуються в учбовому процесі Національного аграрного університету.

Економічний ефект від впровадження результатів досліджень складає понад 6 тис. грн.. на одну машину в рік.

машина сільськогосподарський кабіна енергозберігаючий

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бойко А.И., Тарасенко С.Е. Исследование распределения температур в кабинах самоходной сельскохозяйственной техники. // Зб. наук. праць НАУ. - К., 2005. - Т.80, ч.2, С.250-251. (Здобувачем розроблений алгоритм рішення оптимальної конструкції комфортної кабіни).

2. Бойко А.И., Тарасенко С.Е. Оптимизация конструктивных решений комфортных кабин. // Техніка АПК. 2005. №8. с.26-29. (Здобувачем сформульована постановка задачі і визначено розподіл температурних полів в замкнутому об'ємі кабін).

3. Войтюк Д.Г., Тарасенко С.Е. Використання енергозберігаючого екрана для покращення теплового режиму кабін самохідних машин // Зб. наук. праць НАУ. - К., 1998. - Т. IV, с.41-45. (Здобувачем сформульовано математичну модель теплопередачі через огороджуючи конструкції з екраном та виконано її розв'язок).

4. Драганов Б.Х., Василів П.А., Тарасенко С.Е. Теоретичні і експериментальні дослідження повітрярозподілу в кабінах тракторів // Зб. наук. праць НАУ. -К., 1998. - Т. IV, с.208-213. (Здобувачем виконані заміри полів швидкостей в кабіні трактора і оброблені експериментальні дані).

5. Драганов Б.Х., Тарасенко С.Е. Повітряні потоки в кабіні самохідної машини // Зб. наук. праць НАУ. -К., 1998. - Т. IV, с.335-339. (Здобувачем сформульовано математичні моделі струменевих потоків в кабіні трактора).

6. Тарасенко С.Е. Виділення тепла тілом оператора в кабіні самохідної машини // Зб. наук. праць НАУ. -К., 1998. - Т. IV, с.330-333.

7. Тарасенко С.Е. Енергозбереження в кабінах самохідних машин // Зб. наук. статей „Нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії”, - К.: ДНДІ НЕЕ, 1998, - с.99-100.

8. Тарасенко С.Е. Енергозберігаючий екран в кабіні трактора // Техніка АПК. 1997. №4. с.24.

Тарасенко С.Є. Удосконалення конструкції кабіни з поліпшенням мікроклімату для самохідної сільськогосподарської техніки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет. - Київ, 2005 р.

Виконано аналіз теплових і повітряних режимів у кабінах сільськогосподарських машин.

Розроблено методику оптимізації конструктивних рішень комфортних енергозберігаючих кабін сільськогосподарських машин. На основі покрокової оптимізації визначена необхідна кількість і координати розташування джерел тепло-повітряного обміну, які створюють ізотермічне поле.

Запропоновано математичну модель теплопередачі через багатошарову стінку з урахуванням впливу сонячного випромінювання. Створено алгоритм, програма і розрахунки втрати теплоти в кабіні при наявності енергозберігаючого екрана. Доводяться методи розрахунку явного і схованого тепловиділення тілом оператора. Розроблено методику моделювання теплопередачі тілом оператора за допомогою термобарокамери і безконтактної теплометричної апаратури. Вперше аналізуються струминні потоки в кабінах сільгоспмашин, які відображають фізику процесу повітрообміну. Запропоновано конструкцію енергозберігаючого екрана. Показано, що в місцях встановлення екрана втрати енергії на забезпечення комфортного мікроклімату в кабіні зменшуються у два рази. Результати досліджень і отриманих рекомендацій можуть бути використані при проектуванні і розробці енергозберігаючих, комфортних у тепловому і повітряному відношенні кабін.

Ключові слова: тепловий режим, повітряний режим, тепловіддача тілом оператора, струминні потоки, енергозберігаючий екран, енергозбереження, комфортні умови.

Тарасенко С.Е. Усовершенствование конструкции кабины с улучшением микроклимата для самоходной сельскохозяйственной техники. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Национальный аграрный университет. - Киев, 2005 г.

Выполнен анализ тепловых и воздушных режимов в кабинах сельскохозяйственных машин.

Разработана методика оптимизации конструктивных решений комфортных энергосберегающих кабин сельскохозяйственных машин. На основе пошаговой оптимизации установлено необходимое количество и координаты расположения источников тепловоздушного обмена, которые создают изотермическое поле.

Предложенная методика открывает возможность расчета тепловых источников для создания необходимого микроклимата в кабинах малой площади и увеличенной высоты.

Составлена математическая модель теплопередачи через многослойную стенку с учетом влияния солнечного излучения. Созданы алгоритм, программа и расчеты потери теплоты в кабине при наличии энергосберегающего экрана. Приводятся методы расчета явного и скрытого тепловыделения телом, оператора. Разработана методика моделирования теплопередачи телом оператора при помощи термобарокамеры и бесконтактной теплометрической аппаратуры. Впервые анализируются струйные потоки в кабинах сельхозмашин, как отражающие физику процессы воздухообмена. Предложена конструкция энергосберегающего экрана, а также результаты исследований его эффективности. Показано, что в местах установки экрана потери энергии на обеспечение комфортного микроклимата в кабине уменьшается в два раза. Результаты исследований и полученные рекомендации могут быть использованы при проектировании и разработке энергосберегающих, комфортных в тепловом и воздушном отношении кабин.

Экспериментальной проверкой в условиях эксплуатации подтверждены и дополнены результаты исследований по созданию комфортных условий в кабинах при минимальных затратах энергии. Рекомендации по проектированию комфортных энергосберегающих кабин переданы и используются на ОАО “ХЗТ”, ОАО “Тернопольском комбайновом заводе” и Днепропетровском комбайновом заводе при разработке новой и модернизации существующей самоходной сельскохозяйственной техники.

Ключевые слова: тепловой режим, воздушный режим, теплоотдача телом оператора, струйные потоки, энергосберегающий экран, энергосбережение, комфортные условия.

Tarasenko S.E. The optimization of the structural parameters of comforts energy saved booth's of a agricultural machines. - at is manuscript.

The analyses of thermal of air models in the booth of agricultural machines has been executed.

There is method of optimization of structural assignments of the comfort energy saved booths of a agricultural machines was developed. The necessary quantity and the coordinates location of a sources warmer exchanging, what creates the isothermal field has been determined on the base of step by step optimization.

There is offered the mathematical model of unstationery wartransmition though a manylayers wall with taking in to if an influence of a sun radiation. The algorithery program and calculations of the warnis loss in a booth at presence of the warmemission of a operatots body by thermobarocamer4 and without contact warmmeasurment apparatus. At the first time streams of the air have been analyzed for the booths of the agricultural machinery as reflecting fizicul proceses of airchanging.

There is contraction of the warm saved screcn was disined, and results of its efficiency was offered. There is considered that loss of warm energy less than two times in a booth where screen is setting for provichihg of comfort microclimate. The investigation results and offered recommendations could be used for developing of energy saved, war fort for warm and clean air. booths.

Keywords: warm mode, air mode, body of operator warm enission, stream streans, energy saved screen, energy saved, comfort conditions.

Размещено на Allbest.ru

...