Влияние климатических факторов на эксплуатационные показатели конструкционных узлов и материалов автомобилей

На технические средства и устройства, эксплуатируемые на открытом воздухе, наиболее существенное негативное влияние оказывают солнечная радиация, низкие и высокие температуры воздуха, влажность воздуха, скорость ветра, туманы, метели, пыльные и песчаные бури [1]. Рассмотрим в основном лишь роль солнечной радиации на условия функционирования легкового парка машин и возможности снижения ее негативного проявления.

Солнечной радиацией называют электромагнитное излучение Солнца — его лучистую энергию. Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии, поступающей на Землю.

Солнечная радиация представляет собой ультрафиолетовое и инфракрасное излучение с длиной волны 0,1–30 мкм. Наиболее активную часть солнечной радиации, поступающей на Землю в виде параллельных лучей, называют прямой солнечной радиацией. Часть солнечной радиации, рассеиваемой молекулами воздуха и аэрозолями и поступающей на поверхность Земли, называют рассеянной радиацией [1].

Прямая и рассеянная солнечные радиации относятся к коротковолновой радиации (с длинной волны 0,17–4 мкм). Сумма прямой и рассеянной радиаций определяют суммарную солнечную радиацию. Распределение на территории России годовой суммарной солнечной радиации, влияющей на свойства материалов и надежность машин, неравномер- но. В связи с этим необходимо рассматривать характеристики и некоторые особенности распределения этих факторов на территории России в функции времени.

Распределение на территории России годовых сумм солнечной радиации приведено на рис. 1 [5].

В атмосфере и на поверхности Земли происходит перераспределение поступающей радиации. Часть солнечной радиации, отраженная от атмосферы и поверхности Земли, представляет собой отраженную коротковолновую радиацию, а часть радиации, поглощенная поверхностью Земли, — поглощенную коротковолновую радиацию. Количество поглощенной и отраженной радиации зависит от цвета, структуры, влажности и других свойств поверхности, на которую падают солнечные лучи. За характеристику отражательной способности поверхности принято альбедо (А,%) — отношение отраженной от поверхности радиации R к поступающей на данную поверхность суммарной радиации Q [2]

А = (R/Q) *100% (1)

Чем больше радиации отражает поверхность, тем выше ее параметр А. Для примера можно привести некоторые значения альбедо (в %) известных материалов и поверхностей: сухой снег — 80–95; белая краска — 75; поверхность железа, окрашенная в красный цвет, — 24; уголь — 9.

Альбедо поверхности большей части территории России изменяется в течение года,

Рис. 1. Среднедневные суммы солнечной радиации за год в России

что объясняется появлением на ней снега, растительности и воздействием других факторов.

Кроме коротковолновой радиации к земной поверхности поступает также часть длинноволнового излучения земной атмосферы, называемой встречным излучением. От нагретой солнечными лучами поверхности земли в свою очередь исходит собственное излучение. Разность собственного излучения поверхности земли и встречного излучения представляет собой эффективное излучение.

Основной характеристикой действия солнечной радиации является ее радиационный режим. Радиационный режим определяется годовым ходом Солнца (во времени) и географическим (пространственным) распределением рационального баланса. Очевидно, что наибольшие значения солнечной радиации должны приходяться на южные районы, а наименьшие — на северные районы. В то же время известно, что интенсивность солнечной радиации зависит от географической широты, высоты Солнца и от прозрачности атмосферы. Последний фактор вносит существенные коррективы в фактические значения интенсивности солнечной радиации в северных и южных областях России. В северных областях при малой высоте Солнца чистая атмосфера (малое количество водяных паров и пыли) пропускает большое количество солнечных лучей, в то время как загрязненная атмосфера Юга России (пыльные бури, мгла и др.) в большей степени задерживает их, и интенсивность солнечной радиации снижается. Поэтому интенсивность солнечной радиации летом на Севере может быть выше, чем на Юге.

Известно [3, 4], что действие солнечной радиации, например, на металлические элементы автомобилей вызывает повышение температуры как самих элементов, так и окружающего их воздуха. При этом происходит выгорание и растрескивание краски кузова. В полимерных же материалах, используемых в конструкциях автомашин, под действием солнечной радиации возникают сложные процессы, вызывающие старение этих материалов. Отмечено также негативное влияние солнечной радиации на электролит аккумуляторных батарей. Под действием повышенной температуры сильно размягчается заливочная мастика и повышается диффузия кислоты в поры активной массы. Это приводит к снижению ЭДС поляризации и ухудшению работы аккумуляторов. Доказано также, что при повышенной температуре воздуха снижается его плотность и увеличивается объем паров топлива, входящего в состав паровоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя, в результате чего снижается коэффициент наполнения цилиндров, снижается крутящий момент и мощность двигателя. При высоких температурах воздуха в системах питания двигателей часто образуются паровоздушные пробки, что вызывает перебои в работе двигателей. Повышение температуры паровоздушной смеси увеличивает способность двигателя к детонации. Известно также влияние высоких температур на быстрые изменения свойств масел, в основном, по причине испарения из них легких фракций. Негативно влияет высокая температура и солнечная радиация и на долговечность автомобильных покрышек по причине старения резины. Кроме того, солнечная радиация является основным фактором формирования теплового режима атмосферы и поверхности земли. Поэтому влияние на свойства материалов низких и высоких температур воздуха тоже связано с солнечной радиацией.

Интенсивность солнечной радиации определяется количеством теплоты в джоулях, приходящихся на 1 см2 абсолютно черной поверхности, перпендикулярной к лучам, за 1 мин. Под абсолютно черной поверхностью понимают поверхность, которая поглощает всю солнечную радиацию.

Количество энергии Е , излучаемой абсолютной черной поверхностью любого объекта, определяется законом Стефана-Больцмана Е = σ FТ ⁴ , где σ — постоянная излучения; F — площадь поверхности объекта; Т — абсолютная температура излучающей поверхности.

Нагрев тела солнечными лучами зависит от интенсивности солнечной радиации, температуры окружающей среды и отражательной способности поверхности тела. Отражательная способность в свою очередь зависит от цвета и шероховатости поверхности: чем более гладкую поверхность имеет тело, тем больше лучей оно отражает.

Будучи нагретым, тело само становится источником излучения. Закономерности теплообмена поверхностей удобно проследить на теплообмене тонкостенного металлического ящика, имитирующего кабину или салон автомобиля с неработающим двигателем [1].

Толщина стенок ящика мала, поэтому можно считать, что температуры наружных и внутренних поверхностей стенок ящика одинаковы. Верхняя крышка ящика, поглощая тепло солнечных лучей, излучает его наружу и внутрь ящика ( σ Т ⁴ B ) . Нижняя стенка ящика поглощает тепло, излучаемое верхней крышкой, и излучает его внутрь ящика и наружу (Т ⁴ D ) . При расположении ящика на почве (без учета колес машины) нижняя стенка отдает тепло почве и может получать от нее ( σ Т ⁴з) .

Рис. 2. Схема для определения баланса излучения стенок ящика (элементов корпуса машины)

При температурном равновесии системы справедлива следующая математическая зависимость [1]

σ Т⁴ B = σ /2 (Т⁴ D — Т ⁴з) (2), где Т B — температура крышки ящика; Т D — температура дна ящика; Тз — температура почвы; σ — постоянная излучения.

Температура поверхности тела определяется разностью между поглощенным теплом и отданным внутрь тела и в окружающую среду, т. е. определяется тепловым балансом тела.

Как отмечалось выше, температура элементов машин, облучаемых солнцем, зависит от их отражающей способности, которая опре- деляется цветом и степенью гладкости этих поверхностей. Чем выше эта способность, тем меньше количества тепла поглощается поверхностью машины.

Влияние цвета отражающей поверхности на температуру воздуха внутри металлического ящика подтверждают многочисленные экспериментальные данные. Установлено, что окраской поверхности в белый цвет, имеющий высокие значения альбедо (А), удается снизить температуру воздуха внутри ящика на 5–14оС по сравнению с температурой в ящике, окрашенном в черный цвет [1].

Эффективным средством защиты от теплового воздействия прямой солнечной радиации машин является, например, экранирование поверхностей, подверженных воздействию солнечной радиации, и прежде всего прямой радиации. Это экранирование создается установкой солнцеотражательных пластин по типу пластин, применяемых для защиты окон зданий в городах жаркого климата, а также путем укрытия машин в целом чехлами или установкой тентов из светозащитного материала.

Автомашины на открытом воздухе могут находиться в некоторых часто встречающихся положениях по отношению к поверхностям, отражающим солнечную радиацию: на эстакаде, на насыпи, на равнинной открытой поверхности, в условиях городской застройки и др. Рассмотрим два наиболее характерных случая расположения машин относительно отражающих солнечную радиацию поверхностей (рис. 3).

Для упрощения расчетов радиационных и тепловых балансов автомашины обычно схематизируют геометрическую форму, приняв ее за куб или параллелепипед [1]. Для упрощения схемы на ней показано действие только прямой П и коротковолновой отраженной солнечной радиации r . Рассеянная радиация

Рис. 3. Возможные схемы установки машин относительно отражающих солнечную радиацию поверхностей

будет действовать на все плоскости куба, кроме опорной. Наименьшее количество радиации в рассматриваемом случае будет поступать при расположении машины на равнинной поверхности (рис. 3-а). Здесь отражающими поверхностями являются участки горизонтальной поверхности земли, отраженная радиация от земли r_з действует только на вертикальные плоскости [1].

При установке машины по схеме, показанной на рис. 3-б, отраженная радиация действует на боковые поверхности куба r_б и на верхнюю плоскость r_в , т. к. высота стены больше высоты куба. Наибольшее воздействие отраженной радиации создается при установке машины между домами (рис. 3-в). Прямая солнечная радиация во всех трех случаях положения машины будет одной и той же.

Радиационный баланс горизонтальной поверхности аб по схеме на рис. 3-а должен включать прямую солнечную радиацию П , поступающую к поверхности; рассеянную радиацию, поступающую к поверхности; длинноволновое излучение земной атмосферы, поступающее к поверхности; r_з — коротковолновую радиацию, отраженную от поверхности земли. Длинноволновое излучение поверхности в окружающее пространство и отраженную коротковолновую радиацию от данной поверхности учитывают в балансе со знаком минус.

Аналогичным образом составляются радиационные балансы для случая расположения машины по схемам рис. 3-б и рис. 3-в, в том числе для боковой поверхности куба аг и бд .

Переходя от радиационного баланса к тепловому и еще более приближая расчетную схему машины к очертанию реальных машин (рис. 4), представив их как тонкие металлические листы (крыша и стенки кузова машины), общее уравнение теплового баланса верхней горизонтальной и вертикальных поверхностей будет [1]:

Qоб= QЕ+ Qs+ QБ+ Qк– Qν– QА± QL (3), где QЕ — тепло, поступающее к поверхностям от всех видов коротковолновых и длинноволновых радиаций, включая отраженную; Qs — тепло, поступающее вследствие теплообмена с наружным окружающим воздухом; QБ — тепло, поступающее от внутренних источников тепла (путем лучистого потока и конвекции через воздух); Qк — тепло, поступающее вследствие конденсации; Qν — тепло, отводимое вследствие испарения; QА — тепло, отводимое вследствие собственного длинноволнового излучения поверхностей; QL — тепло, поступающее или отводимое от поверхности через контактирующие металлические элементы.

Рис. 4. Схема к определению теплового баланса поверхностей работающей машины

Для участков нижней поверхности, не контактирующих с землей, уравнение теплового баланса аналогично уравнению (3). Для участков нижней поверхности, контактирующих с землей, уравнение теплового баланса имеет вид [1]:

Qн = Qs – Q_А± Q_L ±Q_З (4), где Q _З — тепло, поступающее к земле или отдаваемое ею.

Как отмечалось выше, эффективным способом укрывания машины от прямых солнечных лучей на природе (в местах отдыха) является помещение ее под тент. Тенты в настоящее время выполняются разборными и быстро монтируемыми, занимают мало места в багажнике машины. Каркас тента, как правило, выполняется из легких полимерных трубок. Материал чехла тента может быть выполнен из металлизированной ткани, отражающей значительную часть солнечной радиации. На кафедре «Автосервис и транспортные услуги» разработана методика проектирования ряда подобных тентов. Подана заявка на предмет патентования способа проектирования подобных тентов.

В качестве примера рассмотрим проектирование каркаса двух подобных изделий. Тент для хранения различных технических средств или временного размещения автомобиля на даче легко спроектировать по аналитическим зависимостям (5) поверхности вида эллипсоида вращения (рис. 5). Параметрическая форма задания данной поверхности для моделирования имеет вид [3]:

X = a•sin α •cos β

Y = b•sin α • sin β (5)

Z = c• cos α .

Рис. 5. Каркас тента без чехла в трехмерной системе координат

Меняя значения углов α и β , а также параметров а, b и с, получают необходимую форму тента и его размеры. Аналитические зависимости дают возможность точно определять площадь материала (ткани, полимерной пленки и др.), необходимого для покрытия каркаса тента, а также линейные габариты и объем самого тента.

Предлагаются также тенты более ажурной формы, которые в полной мере могут выступать как летние беседки на дачных участках. Дизайн таких изделий должен отвечать современным требованиям и запросам клиентов. Предложенная методика позволяет строить аналитические каркасные поверхности. Например, контур ажурной беседки (рис. 6) можно задать в виде зависимости (6):

Z = (6).

Дизайн чехла, обтягивающего ажурный каркас, может быть разнообразным, и зависит от вкуса и желания клиента.

Заключение

Представленные теоретические выкладки действия солнечной радиации на автомобиль в условиях отдыха на природе, на даче или хранения на открытом воздухе неизбежно приводят к необходимости создания условий укрытия машины от прямых и отраженных солнечных лучей. Для этого можно использовать простые легко разборные тенты, модели которых предлагает РГУТиС. В связи с этим возможно предоставление соответствующих новых услуг, связанных с разработкой и реализацией подобных тентов, выдачей их на прокат на предприятиях автосервиса, пересылкой с курьером и доставкой за счет реализации транспортных услуг потребителю. Это, в свою

Рис. 6. Каркас ажурной беседки без чехла в трехмерной системе координат

очередь, обеспечит повышение сроков службы окраски корпуса машины, повышение надежности узлов и деталей, включающие полимерные и композитные материалы, долговечность смазочных материалов, качественные показа-

тели топлив и параметры двигателя, а также других необходимых материалов, обеспечивающих комфортные условия отдыха автотуриста при изменении климатических факторов окружающей среды.