CC BY
20
ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 685.34.016.2:519.86
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЗДАНИЯ КОМФОРТНЫХ УСЛОВИЙ ЧЕЛОВЕКУ В КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ С ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
© 2010 г. Т.М. Осина *, А.П. Жихарев, ** А.Б. Михайлов *, В. Т. Прохоров *, Р.Ф. Афанасьева***, И.Д. Михайлова*
*Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты
**Московский государственный университет дизайна и технологии
*South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty
**Moscow state universitet design and technology
***State unitary nauchno is a research institute of Medicine of labour of RAMN
***Государственный унитарный научно -исследовательский институт медицины труда РАМН
Разработанное авторами программное обеспечение по обоснованию выбора пакетов материалов при проектировании и изготовлении специальной обуви ориентировано на создание комфортных условий человеку, находящемуся в климатических зонах с пониженной температурой.
Ключевые слова: программное обеспечение; климатические зоны; пониженная температура; комфортные условия; специальная обувь.
The software climatic areas, developed ground of choice ofpackages of materials at planning making of the special shoe, provides creation of comfort terms a man, to being in climatic areas with the lowered temperature.
Keywords: climatic areas; lowered temperature; comfort terms; special shoe.
Для защиты стопы от низких температур было разработано программное обеспечение, основанное на оценке зависимости температуры внутриобувного пространства в области базовых узлов обуви от времени воздействия на стопу низких температур.
Результаты экспериментальных исследований и теоретические расчеты подтвердили правомочность использования математических моделей для обоснования выбора пакета материалов при изготовлении обуви специального назначения в климатических зонах с пониженной температурой.
Созданные математические модели позволяют обоснованно выбирать пакет материалов для всех базовых узлов обуви, чтобы обеспечить комфортность стопе при воздействии на обувь низких температур в заданном температурном режиме.
Для оценки теплозащитных свойств обуви, в соответствии ГОСТ 26167-2005 «Обувь повседневная. Технические условия», в учебных мастерских кафедры ТИКСС ГОУ ВПО ЮРГУЭС были изготовлены объекты исследования - три пары мужских ботинок. Характеристика пакетов материалов, используемых для их изготовления, приведены в таблице.
Модели 1, 2, 3 представляют собой мужские ботинки повседневные, с настрочными берцами. Способы обработки видимых краев - в выворотку, в обрезку, взагибку, метод крепления - клеевой, цвет - черный, размер - 27, полнота - 6.
Проведен анализ изменения температуры вутрио-бувного пространства в процессе воздействия низких температур. Сформулировано понятие теплового комфорта как термически нейтрального состояния, когда механизмы терморегуляции не испытывают напряжения. Рассмотрен процесс охлаждения стопы с точки зрения физиологии в условиях воздействия на нее низких температур.
Показано, что критериями комфортности стопы в условиях холода являются: температура стопы -27-33 °С, а температура вутриобувного пространства -не ниже 21-25 °С.
Рассмотрены экспериментальные методы оценки теплозащитных свойств пакетов материалов обуви при различных температурах воздуха. Их особенность в том, что они требуют проведения большого количества опытов, а это экономически не оправдано. Все они позволяют производить лишь усредненное прогнозирование теплозащитных свойств обуви. Кроме того, большинство существующих математических моделей не учитывает особенности формы исследуемого пакета материалов для различных участков стопы и требует поддержания постоянной температуры внутри обуви на все время эксперимента, что в реальных условиях, как правило, не выполняется. В этой связи они не подходят в качестве адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма и соответствия обуви условиям ее использования.
Характеристика пакетов материалов, используемых при изготовлении обуви
№ п/п Характеристика пакетов Толщина Теплопроводность Коэффициент Коэффициент
h, мм X, Вт/(м °С) температуропроводности а, м2/ч ß, 1/°C
Модель 1
Пакет верха:
1. Яловка хромового дубления 1,3 0,008 0,00045 0,004
2. Бязь 0,3 0,038 0,00047 0.003
3. Мех искусственный 10, 0,042 0,00030 0,003
4. Внутренняя обувь - носки шерстяные Пакет низа: 3,5 0,030 0,00042 0,002
1. Кожа стелечная + картон СОП 5,0 0,008 0,00045 0,004
2. Картон Пр 1,8 0,090 0,00017 0,003
3. Мех искусственный + картон СВМП 11,8 0,045 0,0030 0,004
4. Формованная подошва ТЭП с бортиком 6,0 0,060 0,00065 0,004
5. Внутренняя обувь - носки шерстяные 3,5 0,030 0,00042 0,002
Модель 2
Пакет верха:
1. Бычок хромового дубления 2,3 0,009 0,00072 0,005
2. Тик-саржа 0,5 0,054 0,00022 0,003
3. Мех натуральный 8,4 0,029 0,00030 0,003
4. Внутренняя обувь - носки шерстяные Пакет низа: 3,5 0,030 0,00042 0,002
1. Кожа стелечная + картон СОП 5,0 0,0008 0,00045 0,004
2. Картон Пр 1,8 0,090 0,00017 0,003
3. Мех натуральный + картон СВМП 10,2 0,045 0,00030 0,003
4. Резина пористая (двойная по толщине) 20 0,091 0,00050 0,004
5. Внутренняя обувь - носки шерстяные 3,5 0,030 0,00042 0,002
Модель 3
Пакет верха:
1. Яловка хромового дубления 2,0 0,008 0,00045 0,004
2. Тик-саржа 0,5 0,054 0,00022 0,003
3. Фланель х/б + мех натуральный 9,5 0,039 0,00042 0,002
4. Внутренняя обувь - носки шерстяные 3,5 0,030 0,00042 0,002
Пакет низа:
1. Кожа стелечная + картон СОП 5,0 0,008 0,00045 0,004
2. Картон Пр 1,8 0,090 0,00017 0,003
3. Мех натуральный 10,2 0,045 0,00030 0,003
4. Формованная подошва ТЭП с бортиком 8,0 0,060 0,00065 0,004
5. Внутренняя обувь - носки шерстяные 3,5 0,030 0,00042 0,002
Следовательно, чтобы получить высокую эффективность результатов исследования, целесообразно представить обувь как совокупность многослойных пакетов, отличающихся друг от друга формой и наполняемостью пакетов, и проводить не усредненное, а локальное прогнозирование обеспечения комфортности стопы при воздействии на нее низких температур.
С этой целью изучен процесс теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда» для пакетов материалов, представляющих многослойные плоские, цилиндрические и шаровые стенки с краевыми условиями второго, третьего и четвертого рода.
От стопы на внутренний слой обуви поступает тепловой поток плотности q . Теплообмен между внешней поверхностью обуви и окружающей средой (с температурой Тс) происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплоотдачи а . Предполагается, что на границе слоев существует идеальный контакт, т.е. температура Ti и тепловые потоки на поверхности соседних слоев одинаковы.
Для многослойной стенки стационарный процесс прохождения тепла с учетом граничных условий описывается системой уравнений:
/п+1
б = \(Т -Т + Р/ 1 сМ/Б(N), /' = 1,...п;
/ п
б =а(Тп+1 - Тс )Бп+Ъ
где б - тепловой поток через поверхность Б(N);
- коэффициенты теплопроводности слоев; Б(М) -поверхность рассматриваемого тела; N - нормаль к
П+1 .
изотермической поверхности, величина | (щ) ~
щ
приведенная толщина стенки; Бп+1 - внешняя поверхность пакета.
Решение системы дает распределение температуры внутри пакета и на его поверхностях, а также выражение полных тепловых сопротивлений для многослойных пакетов различных форм.
Полное тепловое сопротивление пакета соответственно равно:
для плоской пластины
п 5 1
Rn = Zf+1; i=1 a i а
для цилиндрическои стенки
С п л , / ч Л
Rц = 1
V 1=1 \
для шаровой стенки
Z +1/1) + _ 1
Rm = 11
п 1
z—
i=1 ^ i
1 _ J.
V 1 1+1 у
где г, г+1 - внутренние и внешние радиусы /-го слоя пакета, 51 - толщина /-го слоя пакета.
Методами дифференциального исчисления доказано, что тепловые сопротивления пакетов, составленных из одних и тех же материалов, различны и зависят от формы пакета, а именно Rп > Rц > Rш.
Ранее были проведены исследования по анализу изменения теплового сопротивления пакета из одних и тех же материалов, но имеющих различную форму. Для выбранных пакетов материалов
Rп = 0,535(м2 • 0С/Вт), Rц = 0,457(м2 • 0С/Вт), Rш =
= 0,393(м2 • 0С/Вт). Таким образом, возникает необходимость рассматривать разбиение обуви на локальные участки, представляющие собой многослойные пакеты различной формы. Также одним из обоснований такого подхода служит неравномерность теплообразования различных участков стопы.
Рассмотрен процесс теплопередачи через пакеты материалов с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры. Исследовался пакет материалов, составляющих низ обуви, имеющий при 20 °С тепловое сопротивление 0,57 (м2-°С/Вт). Проведены расчеты зависимости теплового сопротивления пакета материалов от воздействия на стопу низких температур в диапазоне от -30 °С до 0 °С при различных тепловых потоках стопы.
Основной задачей математической модели, разработанной в работе, является описание распределения температуры внутри обувных пакетов различной формы. На основе этого можно получить зависимость температуры внутриобувного пространства от времени эксплуатации обуви в условиях низких температур. Изготовленные три базовые модели обуви (ботинки) испытывались в микроклиматической камере ГУ НИИ «Медицина труда» РАМН. Сущность метода изложена в работе [1].
Изделия СИЗ С (теплозащитная обувь) до начала испытаний были выдержаны в свободном состоянии не менее суток при температуре воздуха (22,0±2,0) оС и его относительной влажности 30 - 60 %.
Размеры изделий должны соответствовать размерам стоп добровольца-испытателя (далее - испытателя), привлекаемого для их оценки.
Для оценки СИЗ С был привлечен испытатель -мужчина 50 лет, рост 174 см, масса тела 62 кг.
До начала испытания испытатель, одетый в комплект «комнатной» одежды, находился в помещении при температуре воздуха (22,0±2,0) оС и его подвижности не более 0,1 м/с в положении «сидя» - не менее 30 мин, затем у него измеряли температуру тела под мышкой, артериальное давление и частоту сердечных сокращений. К участию в оценке СИЗ С (теплозащитная обувь) не допускаются испытатели, имеющие температуру тела свыше 37 оС или/и частоту сердечных сокращений свыше 80 уд / мин или/и артериальное давление свыше 140 и 90 мм.рт.ст. соответственно -систологическое и диастолическое.
После этого на поверхности стопы испытателя прикрепляются в соответствии с рис. 1 предварительно обработанные этиловым спиртом три температурных и три тепломерных датчика (возможно совмещение их чувствительных элементов в одном датчике).
Рис. 1. Схема расположения тепловых датчиков на стопе человека
Температурные и тепломерные датчики фиксируются на поверхности тела с помощью адгезивного материала (типа скотч, пластырь), не вызывающего раздражения кожи. Возможно использование эластичной ленты.
Во избежание чрезмерного общего охлаждения, которое может быть причиной дополнительного охлаждения стоп, испытуемый был одет в комплект утепленной спецодежды с теплоизоляцией
0,560 м2 • оС/Вт (3,6 кло) (1 кло = 0,155 м2 • оС/Вт ).
Испытуемый в микроклиматической камере находился в положении «сидя» в целях создания условий для обеспечения более стабильного теплового потока с поверхности стоп. Продолжительность пребывания в микроклиматической камере определялась появлением общих теплоощущений «прохладно» и локальных (в области стоп) - «прохладно - холодно» и составила 60 мин.
Вопросу создания комфортных условий для системы «стопа - обувь - окружающая среда» при воздействии на человека низких температур уделено
1
+
Гп+1аУ
достаточно много внимания, но большинство исследований не учитывают зависимость коэффициентов теплопроводности материалов, формирующих пакеты для верха и низа обуви, от температуры внешней среды.
Такая необходимость обусловлена тем, что при проектировании рациональных пакетов обуви с заданными теплофизическими и другими гигиеническими свойствами необходимо учитывать не только весь комплекс свойств пакетов для верха и низа обуви, но и совокупность воздушных прослоек между стопой человека и обувью, а также между ее отдельными слоями применительно к тем или иным условиям её эксплуатации.
Следует учитывать, что большинство применяемых материалов в первом приближении можно считать изотропными, а зависимость их теплопроводности от температуры можно аппроксимировать линейной функцией X = Х0(1 + РДТ), (ДТ = Т - Т0), где Х0 -теплопроводность при температуре Т = Т0;Р - коэффициент пропорциональности, определяемый из эксперимента. Поэтому рассмотрим нестационарный процесс теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда» с учетом линейной зависимости коэффициентов теплопроводности обуви от температуры на примере многослойного плоского пакета низа обуви.
Пусть Т (xi, t) - температура /'-го слоя пакета, Тс - температура окружающей среды, Ti (х/, г) = = Т (х/, г) - Тс - относительная температура /-го слоя пакета. Система уравнений теплопроводности для плоского пакета материалов, которая описывает процесс теплообмена, имеет следующий вид:
С (Т )Р,- (Т = т-
dt дх,
Л
х, (T) f
l,-1 < х, <l,>i = 1,"> n
(1)
где с/ - удельная теплоемкость материала; р/ - плотность материала; X/ - теплопроводность; /г-1, I/ -границы /-го слоя.
От стопы на внутреннюю поверхность обуви поступает тепловой поток плотности q(t)
дТ
X1(T1^-1(0, t) = q(t) дх,
(2)
теплообмен на внешней поверхности обуви с окружающей средой происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплоотдачи а
дТ дТ
X, -1 (Т-1 (1,-1, t) = х, (Т) (l,_!, t)
дх,-1 дх
, = 2,.., n ;
(5)
начальные условия Т./(х/,0) = fi(х/)., / = 1,..,п .
Для упрощения системы применим преобразование Кирхгофа
1
Тогда —- =
0, = |—х, (Т . (6)
0 х0,
50, х, (Т) дТ- д0, х, (Т) дТ-
дг х„,- дг дх х„,- дх
Систе-
, o, ,
ма (1) при такой замене преобразуется следующим образом:
даг_ Хг (Т/) 52ег
дт с (Т' )р(Т) дх' ■ Краевые условия (2), (5) примут вид:
ае
х 01^(0, г) + q(t) = 0;
дх1
X 0,,'-11^(1-1, г) = Хс,г ^ (1-1, г). дх/-1 дх,
Мы будем рассматривать случай, когда коэффициенты теплопроводности зависят линейно от температуры:
X,' (Т) = Хог (1 + Р,'Т'), (7)
где Х0, - коэффициенты теплопроводности при Т/ = 0, / = 1,... п . Пусть данный пакет материалов имеет температуру, равную Т. Тогда эквивалентный коэффициент теплопроводности можно найти по формуле
х э(Т) =
L
L
n 1 -1 n 1 -1
у Ч Ч-1 у Ч Ч-1
¿1 х, (Т) ¿1 х,,0 (1 + ß,.r)
! х0(1 + ßr),
(| РТ < 1).
В дальнейшем будем предполагать, что в формуле (7) коэффициенты р/ = р, т.е. некоторому среднему значению. Следовательно,
Х,(Т) = Х0,(1+ РТ'), , = 1,2.п .
Т 1 РТ2 в силу (6) е,' = |—х0, (1+рТ)йТг = Т .
0 Х 0/ 2
Отсюда
дТ„
х n (Тп )1TL (ln, t) + а(Тп (ln, t)) = 0
дхп
(3)
между слоями пакета обуви предполагается идеальный контакт
Т-1 (1,-1, t) = Т (1,-1, t),
(4)
(1+2ре/)2 -1
Т = -———, Т ^ 0.
/ р /
Тогда краевые условия (4) можно переписать следующим образом:
ег-1 (1/-1, г) = ег (1^, г).
Сделав замену в (3), получим
X,
öe„ , (1+2ß6n)2_ 1
0,п "
- + а
= 0.
Р
Так как Р0„ близко к 0, то можно положить
(1 + 2ß9n)2 _1 ß
4ß29n
4
+.
ß
Тогда условие (3) можно заменить 00
х оп-гт (1п, I) + «0п (1п, () = 0.
дхп
Для многих теплозащитных материалов температуропроводность материалов можно считать независящей от температуры, т.е.
X (t) ci (t )p(t )
= ai — const.
Таким образом, задача свелась к решению систе-
мы
59,- d 29
dt 1 дх2 с краевыми условиями:
д91
i = 1,...,п
X о^-1(0, t) + q(t) = 0; dx1
д9
X оп^ (1п, t) +а9п (ln, t) = 0;
дхп
9i_1 (li_1, t) = 9г- (li_1, t):
(8)
(9) (10) (11)
Положим Я. (х/, /) = Д. (/)х/ + (/) и найдем значения Д (/), (/) так, чтобы Я. удовлетворяли усло-
виям (9) - (11). Л, (t) = _Вп = q
В, = q
1 l
_1 f
+z ik
Va Л0п k=i
X
11
<1 +V
Va Х0п у
V X0k X0k+1 У у
i = 1,.., п _ 1.
Собственные функции Xi (x, ) = Лi sin
( \ цх,
+ Ф,
4ai
однородной краевой задачи находим из уравнений
2
Х" + — X. = 0 . Подставляя X. (х.) в уравнения (10) -а.
(12), получим систему
cos ф1 = 0 ;
(14)
4-1sin
Mli_1
Ja, 1
v v i-1
+ Ф,-
Л ( , \ Mli_1
= Л sin
Vi
+Ф,
i = 2,..,п ;
Л_1
0i—1 '
cos
Mli —1
+Ф,—1
Л
= X0i —-¡¡= cos
Vi V л/аТ
Mli_1
(15)
+ Ф,
(16)
ц cos
М1п
+ Фп
KM ап
(
+ а sin
М1п
+ Фп
w ап
= 0. (17)
Разделим равенство (15) на (16)
X 0i —1
Mli_1
+ Ф,—1
Vi
tg
Mli—1
Vi
+ Ф,
д9 д9
X0i—П^^(l,—1,t) = X0i (l,—1,t), i = 2,..,п , (12)
dxi—1 dxi
и начальными условиями
9, (x ,0) = f, (x) + ß f,2( X),
1/-1 < X <1., 1 = 1,2,••, п Решение задачи (8) - (13) будем искать в виде
(13)
i = 2,.., п
(18)
Решая систему (14), (17), (18), состоящую из п +1 уравнений с п +1 неизвестными, находим значения
Мк > 0 Ф/к, . = 1,••,п, к = 1,2,•••
Используя равенство (15), можно получить следующие соотношения для коэффициентов А* для каждого к = 1,2,...:
0. (X., Г) = Я. (X.,/) + Е с* (Г)X/* (X.),
к=1
где ск (/) - неизвестные коэффициенты, Я. (х., /) -функции, удовлетворяющие неоднородным условиям краевой задачи (8) - (12), X* (х.)- собственные функции соответствующей однородной задачи (8) -(12), в которой условие (9) заменено на условие
00,
—40, о = 0.
0х1
где
i —1
Mik = П sin
г=1
Ai—1,k = Mi—1kA1k ,
M1k = 1,
M klr
+Фл
^ /i—1 f i 'nsin ^¿L
1=1
\
W ar +1
+ Фг+1k
Таким образом, решение задачи (8) - (13) ищем в
виде
п
9
п
X
X
6, (x, t) = Ai (t)x, + B, (t) + ^ ck (t)AlkMlk sin
k=1
f \ Pkx;
+Ф,
4a,
= 4 (t) x + B, (t) + z Ck (t)M,k sin
k=1
Pkx,
4a
v v ;
\
+Ф
. (19)
V V 1 y
Подставляя 6i в систему (8), получим
R;( x,, t) + E ck (t )M,k sin
k=1
P kxi
4a,
+ Фш
\ \ 1 (
= A,'(t)x, + B¡(t) + z ck (t)M,k sin
k=1
Pkxi
4a,
+ Фл
» Ц2 Л
= -a z Ck (t )M*— sin
k=1 a
p kx,
4a,
V V i /
Л
+ Ф*
z (ck (t) + p2 Ck (t))M,k sin
k=1
í \ P kx, +Ф
—¡= + Фik
4a;
= -A¡(t)x, - B-(t), i = 1,2,.., n.
(20)
Воспользуемся теперь свойством ортогональности
f Л
собственных функций Mik sin ^кХ'
4a
+ Фlk
краевой
задачи:
z^MkMp í sin Pkx
+Ф*
^ V px, ^
-p- + Ф; -4a,
Sin
dx =
=i «i ' с, ^ 4a
fconst Ф 0, при k = p, [0, , при k Ф p.
V f ^ PXi ^
Умножая равенство (20) на -°-Mip sin —
1 V v l /
интегрируя его по отрезку [/i_1, II ] и суммируя по i получим
w / о \ n X l'
z ((ck (t) + p2Ck (t))z í MmMp sin =1 a-1,-1 p
(
k=1
x sin
Pkx,
4a!
л
+ Фш
P px1
-p-+Ф; ja
n X l'
dx, =-Z— í (A,'(t)x + B'1(t))M1¡ ,=1 a, i,-1
x sin
Г Л
P px,
--— + Ф,р
v ,aP
dx,, i = 1,2,. n.
Учитывая ортогональность собственных функций, будем иметь
i \ n X
((cp(t) + Ppcp(t))z—M,p í sin2
i a, l 1 1 1,-1
P px;
4aI
+ф»
dx, =
nX
. . / - n
= -Z~°~Mp í (A-(t)x, + B. (t))sin
i=1 a, i,-1
P px;
-^=+ФlP
-4a,
dx,.
В результате получаем дифференциальное уравнение
.2
c p (t) + P pcp (t) = g (t),
где
g (t)=-
i; Mip í l¡ - sin 1
nX z 1=1 a1 M 2 ip l; í sin
+Ф
;p
(a; (t)x, + b; (t))dx,
rppx; ^ л +ф
4a~
dx,.
Решая линейное уравнение, находим, что ср (/) = g(t)e>íptdt + Dp | е . Подставляя найденные значения ср (t) в (19), получим
б; ( x, , t) = R; ( x, , t ) +Z
;(í g (t)e-p2ídt )e -
PktM;k X
x sin
P kxi
4a;
+ Ф;
+ z Dke-p2tM,k sin
k=1
Pkxi
4a;
+Фlk
= N, (x,, t) +Z Dke-p2tM,k sin
k=1
v \ 1 y
Л
P kxi
4a;
+ Фш
где
Nt (x,, t) = A, (t) x, + B- (t) +
(
í 2 \ 2 -z(í g(t)e ^ktdtyPktMtk sin
Pkxi
4a;
+Фlk
Для нахождения коэффициентов Dk воспользуемся начальными условиями задачи
6; (x, ,0) = fi ( x, ) +
ßf2( x,) 2
= N, (x, ,0) +z DkM;k sin k=1
P kxi
4a;
+ Фш
Отсюда
z DkMik sin k=1
ßfi( x,)
P kxi
4a;
+ Фш
= ¡г (^ ) +^^ - ^ (^ , 0) = V,- (хг ).
Используя снова свойство ортогональности собственных функций,находим,что
X
1-1
X
X
X I
Z — Mip J V, (x, )sin
Dp =
a lP i=1 ai l,
M pxi
+Ф«
dx,
п X • ^ i i Z — K J sin2
i=i ai l,—1
M pxi
+ Фн
dxi
Отметим теперь, что если
д(1) е С([0;«))пС 1((0;«>)) и £(х.) е I,]),
то формула (19) дает решение задачи (8) - (13) в виде ряда, сходящегося в ^2([1.-1; ^ ]) равномерно по X е [0;М]; М > 0.
На рис. 2 представлены результаты зависимости температуры внутриобувного пространства для различных видов экспериментальной обуви от времени воздействия на нее низких температур при -5 °С. Их характер подтверждает, что все три вида обуви обеспечивают испытателю-носчику комфортные условия в течение всего времени его нахождения в микроклиматической камере.
о и о д и
f ^ s Сй
^ И
^ н
о
д д
40 1
30 -
CQ
й & Ь о
й Л
с
20
20 40 60 80 100 120
Время, мин
Рис. 2. Графики зависимости температуры внутриобувного пространства для различных видов экспериментальной обуви от времени воздействия на нее низких температур (при -5 °С) 1 - первая модель; 2 - вторая модель; 3 - третья
модель
Как показано на рис. 3, при температуре -10 °С происходит наибольшая потеря тепа, когда испытатель находится в микроклиматической камере в первой модели экспериментальной пары обуви (ботинки), а наименьшие потери тепла во внутриобувном пространстве характерны для второй экспериментальной пары обуви.
о и о д и
f ^ Д cd
^ И
^ н
о
д д
И св * &
40
30
л
&
л
н
20
-Г—ГП—I—I—I—I—П—I—1—Г—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—ГП—I—ГП—I
0 10 20 30 40 50 60 Время, мин
Рис. 3. Графики зависимости температуры внутриобувного пространства для различных видов экспериментальной обуви от времени воздействия на нее низких температур (при -10 °С) 1 - первая модель; 2 - вторая модель; 3 - третья модель
На рис. 4 подтверждается тот факт, что и при более низкой температуре -15 °С в микроклиматической камере экспериментальная пара обуви с более высокими теплозащитными свойствами обеспечивает наименьшие потери тепла во внутриобувном пространстве - это вторая модель, а наибольшие потери тепла происходят при нахождении испытателя в экспериментальной паре обуви в первой модели, теплозащитные свойства пакетов материалов низов обуви которой ниже теплозащитных свойств в сравнении со второй моделью (см. таблицу).
0 10 20 30 40 50 60 Время, мин
н
Рис. 4. Графики зависимости температуры внутриобувного пространства для различных видов экспериментальной обуви от времени воздействия на нее низких температур (при -15 °С) 1 - первая модель; 2 - вторая модель; 3 - третья
модель
На рис. 5 приведены графики расчетов зависимости потери тепла внутриобувного пространства для случая, когда испытатель находился в микроклиматической камере в одной и той же экспериментальной паре обуви, а именно, в первой модели, но при разных в ней температурах: -5, -10, -15°С.
о и о д и
^ г ^
ю U о ° й rf Н
Ь 8 £ я
и а
а £
^ о
& д
<D
д
<D
н
40
30
20
-5 °С
-10 °С -15 °С
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
0 10 20 30 40 50 60 Время, мин
Рис. 5. Графики зависимости температуры внутриобувного пространства для случая, когда испытатель находился в микроклиматической камере в экспериментальной паре обуви (первая модель), от времени воздействия на нее разных температур: -5, -10, -15°С
Анализ результатов эксперимента и теоретические расчёты зависимости температуры внутриобувного пространства в области низа стопы по истечении 60 мин показал, что при нахождении человека в естественных условиях при температурах окружающей среды -5°С, -10°С, -15°С температура вутриобувного пространства в области низа стопы для всех трех моделей мужских ботинок не опустилась ниже 21 °С, подтверждая тот факт, что с помощью построенных
0
2
3
1
математических моделей возможно выбрать такие пакеты материалов, теплозащитные свойства которых обеспечивают испытателю комфортные условия в течение всего времени эксперимента. При этом результаты выполненных исследований могут служить в качестве адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма и соответствия обуви условиям её использования.
Таким образом, созданные математические модели позволяют обоснованно выбирать пакет материалов для всех базовых геометрических объектов (подошва - многослойная пластина, голенище - вертикальный многослойный цилиндр; пяточно-перейменный участок - многослойный цилиндрический сегмент, развернутый под углом к продольной оси модели; пучковый участок - горизонтальный многослойный цилиндрический сегмент, носочная часть -многослойный сферический сегмент; пяточная часть -вертикальный многослойный цилиндрический сегмент), чтобы обеспечить комфортность стопы при воздействии на нее низких температур в заданном вре-
Поступила в редакцию
менном режиме и существенно сократить число стендовых испытаний в условиях, близких к реальным, при проектировании нового теплозащитного варианта обуви с учетом особенностей климатических зон России.
Кроме того, использование созданных математических моделей оправданно ещё и потому, что позволяет оценивать новые материалы при формировании пакетов для любых видов и родов обуви, обеспечивая высокую достоверность результатов комфортности стопы при воздействии на неё низких температур.
Литература
1. Разработка исследование пакетов материалов для защиты стопы от воздействия низких температур / Т.М Осина [и др.] // Изв. вузов, Сев.-Кавк. регион, Техн. науки. Р009. № 1 С. 131 - 135.
13 января 2010 г.
Осина Татьяна Матвеевна - доцент, кафедра «Технология швейных изделий и материаловедение», ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса.
Михайлова Инна Дмитриевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Математика», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
Прохоров Владимир Тимофеевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ТИКСС, Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
Михайлов Андрей Борисович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Математика» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.
Жихарев Александр Павлович - д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе, зав. кафедрой «Материаловедение», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
Афанасьева Ралема Федоровна - д-р мед. наук, профессор, зав. лабораторией ГУ НИИ «Медицины труда» РАМН.
Osina Tatiana Matveevna - assistant professor, department «Technology of Sewings Wares and Materialovedenie», South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty.
Mikhaylova Inna Dmitrievna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Mathematician», South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty.
Prokhorov Vladimir Timofeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department of TIKSS, South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty.
Mikhaylov Andrey Borisovich - Candidate of Physico-Mathematical Sciences, assistant professor, department «Mathematician», South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty.
Zhikharev Alexander Pavlovch - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Materialovedenie», South-Russian State University of the Economy and Service, Shahty.
Afanaseva Ralema Feodorovna - Doctor Medical Sciences, professor, «Medicine of labour» of RAMN.
