Улучшение условий труда механизаторов-комбайнеров при воздействии интенсивного солнечного излучения

Введение. Механизаторы сельского хозяйства являются наиболее распространенной категорией работающих в растениеводстве. Усложнение сельскохозяйственной техники, увеличение скоростей работы машин требует учета физиологических возможностей человека при их проектировании. При этом особое внимание необходимо обратить на обес- печение исправности средств безопасности, улучшающих условия труда в кабинах сельскохозяйственной техники.

Основными неблагоприятными факторами при работе на комбайнах и сельхозмашинах являются:

• – длительное воздействие неблагоприятных метеорологических условий;

• – вдыхание пыли и газов;

• - воздействие шума и вибрации;

• - неудобное, часто вынужденное положение тела.

Из всего этого перечня преобладающим вредным фактором на рабочих местах механизаторов являются метеорологические условия, которые определяются периодом времени года и проявляются воздействием на организм работающих низких или высоких температур, инсоляции и излучения от нагретых поверхностей [1,2].

В теплый период времени года основным источником притока тепла в кабину комбайна является солнечное излучение. Ввиду того, что пространство кабины достаточно ограничено (до 3-4 м3), внутри устанавливается крайне неблагоприятный терморадиационный режим – температура воздуха может значительно превышать температуру окружающей среды, которая в самый жаркий летний месяц может достигать + 40 °С и более. При этом нагрев внутреннего воздуха осуществляется как за счет проникающего сквозь заполнение световых проемов прямого солнечного излучения, так и за счет нагретых им металлических частей кабины, которые в свою очередь становятся дополнительными источниками тепла. Все это, наряду с плохой организацией вентиляции кабины комбайна, может создавать экстремальные условия для работы механизатора [3].

Для проектирования средств нормализации микроклимата в кабине зерноуборочного комбайна, в частности климатической системы, необходимо иметь представление о величинах теп-лопритоков, поскольку выбор климат-системы и её параметров (расхода приточного воздуха, холодопроизводительности) производится на основании расчета теплового баланса кабины. А поскольку солнечное излучение вносит ос- новной вклад в значение суммарного теплопритока, то следует рационально подходить к выбору методик его расчета [4, 5].

Целью данного исследования выступает улучшение условий труда механизаторов за счет корректного выбора средств защиты, основанного на определении величины притока тепла от солнечного излучения, поступающего внутрь кабины комбайна.

Материалы и методы исследования. За основу данного научного исследования возьмем два метода - инженерный расчет и компьютерное модели- рование.

Сущность первого метода основана на расчете притока тепла от солнечного излучения через стенки кабины по методике, предложенной П.Ю. Гамбургом (с применением коэффициентов затенения).

Суммарный приток тепла в кабину Q1c, Вт, включает в себя приток тепла сквозь непрозрачные стенки фмасс, Вт, и приток тепла сквозь световые проемы

£ св ^ет , Вт:

С 1_с = с м ^асс + ? 1; ^ет .

Приток тепла сквозь непрозрачные стенки Qiacc, Вт, учитывает теплотехни- ческие характеристики материалов, из которых состоят n-е количество слоев непрозрачной стенки кабины:

_п масс _     ^С^ н    ^te)

У1с     1       5 Г yn   I

^и   ^;=1^1   йв где F - площадь непрозрачной стенки, м2;

t_H , а_н , t_B , а_в - температура и коэффициент теплоотдачи соответственно наружной и внутренней поверхностей стенки, °С, Вт/(м² • °С);

• 8 i ,    A i - толщина и коэффициент теплопроводности i -го слоя стенки, м, Вт/(м · °С).

Приток тепла сквозь световые проемы Q^, Вт, зависит от ориентации светового проема относительно стороны горизонта и от географической широты:

2Гт = Qo^Pt, где Q0K - удельный приток тепла через световой проем, Вт/м2;

F - площадь светового проема, м 2 ;

т - коэффициент затенения светового проема затеняющими устройствами [6–8].

Метод компьютерного моделирования, как процесс математического моделирования, заключается в прогнозировании поведения реальной системы и использованием её виртуальной модели. При этом описание данной системы осуществляется посредством уравнений ма-

^ + (а + a_s) 1(?, s) = а n² ^4 + ^J^ /(r, З) ф З • s') d ^ , (1)

где r - вектор положения;

s - вектор направления;

s’ - вектор направления рассеяния;

s - длина пути;

а - коэффициент абсорбции газа;

n - показатель преломления среды;

c_s - коэффициент рассеяния;

су - постоянная Стефана-Больцмана

(ст = 5,67 • 10 -8 Вт • м -2 •К - ⁴);

/ - интенсивность излучения;

Т - локальная температура газа;

Φ – фазовая функция;

& - телесный угол;

(а + c_s) - оптическая толщина или непрозрачность среды [10–12].

Преимуществом модели является охват всего диапазона оптических толщин, что дает возможность решать задачи, варьирующиеся от поверхностного излучения до проникающего излучения в тематической модели. В нашем случае определить термодинамические параметры в кабине зерноуборочного комбайна, такие как температура, теплооб-лученность, нам позволит моделирование в среде Ansys. Программная среда дает возможность определять значения необходимых параметров в любой точке за счет разбиения трехмерной модели исследуемого объекта на n-е количество конечных элементов, в каждом из которых производится решение заданной математической модели [9].

Математическую модель термодинамики в кабине зерноуборочного комбайна зададим в векторном виде уравнением радиационной теплопередачи для поглощающей, излучающей и рассеивающей среды в положении г и направлении s (модель излучения в дискретных ординатах (DO)):

задачах горения. Она также применима для моделирования излучения на полупрозрачных стенках. В нашем случае реализация данной модели позволит получить картину распределения тепловых потоков на внутренней поверхности непрозрачных стенок кабины, рассматривая в том числе и процесс передачи тепла через массивные ограждения за счет теплопроводности.

Для расчета радиационных эффектов от солнечных лучей, попадающих в вычислительную область, на основании данных о местоположении, времени и даты была выбрана модель солнечной нагрузки, реализуемая инструментом Ansys – солнечным калькулятором. Для модели доступны два варианта: трассировка солнечных лучей и DO-облучение.

Алгоритм трассировки лучей модели солнечной нагрузки может использоваться для прогнозирования источника энергии прямого освещения, возникающего в результате падающего солнечного излучения. При этом луч, смоделированный с использованием вектора положения солнца и параметров освещенности, применяется к любой или ко всем заданным пограничным зонам стенки, после чего выполняется анализ затенения лицевых поверхностей для определения четко очерченных теней на всех граничных поверхностях и внутренних стенах и вычисляется тепловой поток на граничных поверхностях, возникающий в результате падающего излучения.

Опция DO-облучения модели солнечной нагрузки представляет простой способ подачи солнечной нагрузки непосредственно на модель излучения в дискретных ординатах (DO). В отличие от опции трассировки лучей при солнечной нагрузке, метод DO-облучения не вычисляет тепловые потоки и не применяет их в качестве источников тепла к уравнению энергии. Вместо этого поток излучения подается непосредственно на указываемые полупрозрачные стенки в качестве граничного условия, а радиационная теплопередача выводится из решения уравнения переноса излучения (DO) (формула 1) [13–15].

Результаты исследования и их обсуждение. Результаты расчетов притоков тепла от солнечного излучения сквозь непрозрачные стенки и световые проемы кабины зерноуборочного комбайна TORUM 750, выполненных по методу П.Ю. Гамбурга, на географической широте 47° (г. Ростов-на-Дону) при ориентации кабины на юг, представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Результаты расчета притоков тепла сквозь непрозрачные стенки кабины зерноуборочного комбайна TORUM 750

Table 1 – The results of the calculation of heat inflows through the opaque walls of the cabin of the combine harvester TORUM 750

Тип стенки Wall type	Материал Material	Площадь стенки F , м 2 Wall area F , m 2	Толщина слоя 6 , м Layer thickness 6 , m	Коэффициент теплопроводности материала Л , Вт/(м • °С) Coefficient of thermal conductivity of the material Л , W/(m • °С)	Приток тепла Ссс , Вт Heat inflow (2i7s , w
1	2	3	4	5	6
Передняя Front	Стекло Glass	2,41	0,00876	1	45,1
Задняя Back	Стекло Glass	0,4	0,00876	1	75,1
	Металл Metal	4,7	0,002	58
	АБС пластик ABS plastic		0,004	0,17
Боковые Side	Стекло Glass	3	0,006	1	38,9

Окончание таблицы 1

1	2	3	4	5	6
Верхняя Upper	АБС пластик ABS plastic	3,1	0,004	0,34	152,8
	Воздух Air		0,15	0,88
Нижняя Lower	Металл Metal	1,3	0,002	58	24,3
	Литьевой полиуретан Injection molded polyurethane		0,025	0,32
Итого: Total:					336,2

Таблица 2 – Результаты расчета притоков тепла сквозь световые проемы кабины зерноуборочного комбайна TORUM 750

Table 2 – The results of the calculation of heat inflows through the light openings of the cabin of the combine harvester TORUM 750

Стороны горизонта Sides of the horizon	Тип стекла Type of glass	Площадь светового проема F , м 2 The area of the light opening F , m 2	Удельный приток тепла Q ok , Вт/м 2 Specific heat inflow Q ok , W/m2	Коэффициент затенения т Shading factor т	Теплоприток Q CB eT , Вт Heat inflows Q1^, W
Юг South	Planibel AGC зеленое Planibel AGC Green	2,41	300	0,74	535,0
Север North	Planibel AGC зеленое Planibel AGC Green	1,41	58	0,74	60,5
Восток East	Бесцветное Colorless	1,52	315	0,89	426,1
Запад West	Бесцветное Colorless	1,52	315	0,89	426,1
Итого: Total:					1447,7

Таким образом, по результатам расчетов по инженерной методике приток тепла сквозь непрозрачные стенки кабины зерноуборочного комбайна при температуре наружной среды + 40 °С составит 336,2 Вт, приток тепла сквозь световые проемы – 1447,7 Вт, суммарный приток тепла – 1783,9 Вт.

Для компьютерного моделирования солнечного излучения, проникающего внутрь кабины зерноуборочного комбайна, была создана ее трехмерная виртуальная копия, которая впоследствии была разбита на 356320 тетраэдральных элементов, позволяющих достаточно точно аппроксимировать сложную геометрию (рисунок 1).

Рисунок 1 – Трехмерная модель кабины зерноуборочного комбайна TORUM 750 ( а ) и её расчетная сетка ( б )

Figure 1 – Three-dimensional model of the cabin of the combine harvester TORUM 750 ( a ) and its calculation grid ( b )

б b

Далее задавались начальные условия в виде температуры окружающей среды (+ 40 °С); для солнечного калькулятора устанавливались дата и время (21 июня, 13:00), широта и долгота (47° с.ш., 39° в.д.). Граничными условиями модели являлись коэффициенты теплопередачи стенок. В результате пу- тем решения заданного уравнения математической модели (формула 1) в каждом элементе расчетной сетки строились поля теплооблученностей в Вт/м2 (рисунок 2). Для преобразования результата в Вт полученные значения делились на площадь облучаемой поверхности.

а а

Рисунок 2 – Результаты компьютерного моделирования притока тепла в кабину зерноуборочного комбайна TORUM 750 сквозь непрозрачные стенки ( а ) и световые проемы ( б ) Figure 2 – Results of computer simulation of heat inflow into the cabin of the combine harvester TORUM 750 through opaque walls ( a ) and light area ( b )

б b

Результаты компьютерного моделирования показывают, что приток тепла сквозь верхнюю непрозрачную стенку кабины комбайна в среднем составляет 518 Вт/м2 или 167,1 Вт, что в целом приближено к результату инженерного рас- чета с относительной погрешностью 9,36%. Однако значение притока тепла сквозь световые проемы имеет значительное расхождение с результатами инженерного расчета, которые явно занижены. Так, величина солнечного излу- чения, проникающего сквозь передний световой проем кабины, равна 1818 Вт/м2 или 754,4 Вт. Таким образом, относительная погрешность инженерного расчета составляет 41,01%, что является недопустимо большим значением.

Выводы. Вопросы охраны и укрепления здоровья работников сельского хозяйства остаются одной из важнейших проблем, несмотря на развивающийся технологический прогресс в промышленности. Механизаторы сельского хозяйства по-прежнему вынуждены сталкиваться с неблагоприятными условиями труда ввиду недостаточной эффективности или неисправностей средств обеспечения безопасности, возникающих на стадии их проектирования или эксплуатации.

Выбор корректной методики расчета притока тепла от солнечного излучения в кабину зерноуборочного комбайна является ключевым фактором, влияющим на эффективность проектируемой климатической системы. Полученные двумя методами результаты свидетельствуют о низкой точности инженерной методики расчета по сравнению с компьютерным моделированием. Инженерная методика дает несколько заниженные значения (в среднем в 1,25 раза), что в конечном итоге может привести к выбору менее эффективной климат-системы, поскольку её холодопроизводительности окажется недостаточно для обеспечения комфортных для механизатора параметров микроклимата внутри кабины.