Методические основы системно-целевого подхода к формированию пакета материалов для теплозащитного костюма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические основы системно-целевого подхода к формированию пакета материалов для теплозащитного костюма

Былинкин Б. С.

Белов С. А.

Сафонова И. А.

Рассмотрен системный подход к проектированию высокотемпературного теплозащитного костюма, основанный на комплексном анализе результатов аналитического исследования основных теплотехнических параметров костюма в сочетании с изучением массивов информации по параметрам теплозащитных пакетов с учетом критериев оптимизации. Получены зависимости геометрических и весовых параметров теплозащитного костюма от допустимой температуры его внешней оболочки. В качестве эффективного инструмента выбора оптимальной структуры теплозащитных пакетов рекомендуется метод «исследования операций».

Ключевые слова: теплотехнические параметры; метод «исследования операций»; тепловой баланс; изоляционный слой; тепловлажностный микроклимат.

Введение

Объективная трудность проектирования специальной теплозащитной одежды заложена в характере проектной задачи - обеспечении эффективности спецодежды и наименьшего физиологического напряжения человека, работающего в ней 1. Многокритериальность задачи проектирования теплозащитной спецодежды предусматривает различные способы ее решения, в том числе, используя нетрадиционные подходы к проектированию. Появление новых видов материалов, прогрессивной технологии обработки, технические достижения в конструировании отдельных элементов и узлов спецодежды расширяют возможность выбора проектировщиками оптимальных решений. Одновременно эти обстоятельства еще более усложняют задачу, так как увеличивается область поиска, а следовательно, неопределенность при принятии решений. Сложность задачи проектирования спецодежды заставляет использовать новую методологию проектирования - системный подход, суть которого заключается в том, что объект и процесс проектирования рассматриваются как системы, предназначенные для достижения определенных целей посредством управляемого взаимодействия подсистем 2.

Расчетно-аналитический анализ параметров теплозащитного костюма

Согласно общим требованиям к средствам индивидуальной защиты (СИЗ) спецодежда должна оцениваться по защитным, физиолого-гигиеническим и эксплуатационным показателям. Вместе с этим качество спецодежды характеризуется показателями качества используемых материалов, конструкционных и технологических решений. Приоритет тех или иных требований определяют условия эксплуатации спецодежды.

Выбор критерия оптимизации параметров спецодежды диктуется требованием обеспечения определенного показателя, имеющего первостепенное значение для заданных условий функционирования костюма. Исследуя параметры теплозащитного костюма, критерием оптимизации целесообразно выбрать его массу - важнейший эргономический показатель СИЗ. Выполнение рабочих операций в теплозащитной одежде само по себе создает повышенную нагрузку на организм человека, потому при проектировании спецодежды и возникает задача ограничения ее массы с целью уменьшения дополнительной нагрузки на оператора.

В качестве примера расчетно-аналитического анализа рассмотрены результаты определения базовых параметров теплозащитного костюма, предназначенного для работы в высокотемпературной окружающей среде.

Сложность проектирования такого костюма обусловлена необходимостью обеспечения его высокой эффективности и надежности с целью создания благоприятных условий для работы человека с наименьшим физиологическим напряжением.

С повышением температуры внешней среды первостепенной задачей становится отвод теплоты в рассматриваемой системе человек - теплозащитный костюм. Поэтому теплозащитный костюм, предназначенный для работы в высокотемпературной окружающей среде, должен быть снабжен эффективной системой охлаждения для поддержания допустимой температуры внутренней оболочки костюма с целью сохранения работоспособности человека. Одним из наиболее эффективных направлений в разработке конструкций теплозащитного костюма является применение современных пористых высокотемпературных изоляционных материалов в сочетании с интенсивным пористым газовым охлаждением 3. Аналитическое исследование параметров охлаждаемого теплозащитного костюма выполнено для экстремальных условий при температуре окружающей среды 7000С. В расчетах учтены процессы теплопроводности теплозащитного пакета костюма, конвективной теплоотдачи и лучистого теплообмена во внешней среде в соответствии с тепловым балансом:

,

где tобол - температура внешней оболочки костюма; tчел - температура тела человека; tср - температура внешней среды, 0С.

Этот тепловой поток отводится от костюма потоком охлаждающего газа.

В качестве критерия оптимизации принята минимальная величина суммарной массы системы костюм + баллоны с охлаждающим газом. На рис. 1 приведены расчетные зависимости массы костюма (Мкост), массы баллонов индивидуальной системы охлаждения (Мбал) и суммарной массы системы (М = Мкост + Мбал), а также толщины изоляционного слоя костюма (изол) от температуры внешней оболочки костюма.

Анализ результатов аналитического исследования параметров теплозащитного костюма, снабженного индивидуальной системой пористого охлаждения и предназначенного для работы в высокотемпературной (7000С) окружающей среде, показал, что минимальная суммарная масса порядка 50 кг. (костюма и баллонов с охлаждающим газом) может быть получена при температуре наружной оболочки костюма, близкой к температуре окружающей среды (порядка 680-6900С).

Принципы формирования эффективного теплозащитного пакета материалов СИЗ

теплозащитный костюм весовой

Следующим этапом является выбор структуры теплозащитного пакета как главного элемента конструкции костюма. Исходными данными для такого выбора являются рассмотренные выше термические характеристики, полученные для заданных условий работы. Теплозащитный пакет материалов формируется в первую очередь по теплофизическим показателям, в частности, суммарному тепловому сопротивлению. Одновременно учитываются гигроскопические, влагообменные и сорбционные свойства конструкционных материалов. Значение влагообменных свойств материалов подкладки возрастает в экстремальных условиях эксплуатации, характеризуемых дефицитом времени и необходимостью выполнения трудоемких операций. Оценивая комплекс характеристик теплозащитных пакетов, критерием оптимизации целесообразно также выбрать массу пакета.

Упрощено задача формирования теплозащитного пакета может быть представлена схемой на рис. 2.

Рис.1. Зависимости толщины изоляционного слоя,массы костюма, массы баллонов и суммарной массы от температуры внешней оболочки костюма

Реализация принципов системной методологии проектирования теплозащитных пакетов основывается на анализе и систематизации массивов информации, которые включают в себя компоненты решаемой задачи:

независимые переменные (факторы среды);

переменные, определяемые задачей (цели или зависимые переменные);

параметры проектирования (переменные параметры, варьируемые для достижения оптимальных значений зависимых переменных);

граничные условия.

В основе системного подхода к проектированию лежит оптимизация - выбор наилучшего решения из некоторой совокупности допустимых решений. Количественные методы оптимизации предусматривают рассмотрение системы из нескольких показателей, характеризующих различные свойства создаваемого изделия и определяющих его качество.

Для учета сразу нескольких показателей качества могут быть использованы следующие принципы: введение показателя, отражающего общие цели управления; постановка задачи оптимизации с ограничениями; применение средневзвешенных показателей качества. Первый принцип реализуется, когда удается найти простую функциональную зависимость, связывающую показатели качества рассматриваемой системы с показателем, отражающим общие цели управления. Этот показатель принимается за критерий оптимизации. Второй принцип основан на том, что, приняв один из показателей качества системы за критерий оптимизации, значение остальных ограничивают условиями типа «не более чем», «не менее чем». Третий принцип предусматривает использование средневзвешенных показателей для комплексной оценки качества и выбора оптимального варианта управления. Таким образом, оптимизация параметров объекта или процесса связана с выбором таких их значений из возможных вариантов, при которых достижение цели является наиболее полным и не нарушает установленных ограничений.

Учитывая большой ассортиментный ряд современных теплозащитных, подкладочных и гигиенических материалов, применяемых в СИЗ, важной задачей является разработка и использование автоматизированных систем оптимального проектирования с целью методического обеспечения оптимизирующих расчетов теплозащитного пакета материалов спецодежды. При этом первым этапом проектирования пакета является формирование базы данных для используемых материалов.

max

max

max

min

Рис.2. Схема формирования оптимального пакета материалов для СИЗ

Г-гигроскопичность; ВП - влагопоглощение; Во - влагоотдача;

R - суммарное тепловое сопротивление; М - масса.

Для решения задачи выбора оптимального пакета материалов целесообразно воспользоваться методом «исследования операций» [4]. Суть метода такова: организуется требуемая целенаправленная система действий и выбирается «решение» из ряда возможных вариантов. Каждый вариант обладает преимуществами и недостатками. С целью сравнения между собой по ряду признаков различных вариантов и выбора предпочтительного выполняется серия математических расчетов, с использованием ЭВМ, что в конечном результате помогает проанализировать варианты и выбрать наиболее приемлемый. Программа поиска оптимальной структуры теплозащитного пакета на основе баз данных, в частности, приведена в диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук. Красносельской Е. Б.

Заключение

Системно-целевой подход к методологии проектирования высокотемпературного теплозащитного костюма базируется на комплексном анализе результатов аналитического исследования основных теплотехнических характеристик костюма. Анализ выполняется в сочетании с изучением массивов информации по параметрам теплозащитных пакетов с учетом критериев оптимизации на первом этапе исследований.

Данные аналитического исследования составляют основу второго этапа выбора оптимальной структуры конструкции теплоизоляционного пакета. На этом этапе целесообразно использовать автоматизированный метод «исследования операций», использующий банк данных первого этапа исследований. Конструкция теплозащитного пакета является основой конструкции костюма в целом и должна обеспечить требуемый тепловлажностный микроклимат пододежного пространства.

Библиографический список

Афанасьев Р. Ф. Гигиенические основы проектирования одежды для защиты от холода. М.: Лёгкая индустрия. 1977.

Романов В. Е. Системный подход к проектированию специальной одежды. М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1981.

Былинкин Б. С., Воробьёв А. А. Экспериментальное исследование модели пакета теплозащитной одежды при температурах до 12000С // Сб. Совершенствование технологии швейного и кожевенно-обувного производства. М.: ВЗМИ, 1986.

Венцель Е. С. Исследование операций. Задачи, принцип, методология. М.: Наука, 2003.

Размещено на Allbest.ru