автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка пакетов материалов для защиты стопы от воздействия низких температур

На правах рукописи

Осина Татьяна Матвеевна

РАЗРАБОТКА ПАКЕТОВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТОПЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.19.01 -Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 б ДПР Ш

Казань- 2012

005019169

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жихарев Александр Павлович

Хамматова Венера Василовна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Дизайн», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Бекк Наталья Викторовна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Конструирование изделий из кожи», Новосибирский технологический институт( филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образователь- ■

ное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г.Разумовского»

Защита состоится «24» мая 2012 г в часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.09 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу 420015, г. Казань, ул. К Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета

« /А I

Автореферат разослан «_ /7» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук. ^ Н.В.Тихонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При эксплуатации обуви в различных климатических зонах возникает ситуация создания таких условий, при которых стопа человека должна ощущать комфортность в течение всего времени нахождения человека в этих условиях. Для реализации такой задачи использовались специальные эксперименты, позволяющие проследить ситуацию изменения теплового состояния стопы в исследуемых образцах обуви при различной температуре воздуха.

Если носчик ощущал дискомфорт, то принималось решение, что такое соотношение выбранных материалов для верха и низа обуви не обеспечивает защиту стопы от воздействия на нее низких температур. Естественно, что такие эксперименты являлись затратными и материалоемкими, так как требовали проведения большого количества опытов в естественных условиях, или в специальных климатических камерах с привлечением большого числа носчиков, но это все равно не гарантирует от ошибок и практически неосуществимо при рассмотрении всего ассортимента обуви, который выпускается обувными предприятиями.

Кроме экспериментальных методов определения теплозащитных свойств обуви, используются аналитические, основанные на определении суммарного сопротивления теплопереходу от поверхности стопы к внешней среде через пакеты материалов для верха и низа обуви, В выражение этого суммарного сопротивления входит средний коэффициент теплообмена обуви с внешней средой, который обычно рассчитывается по критериальным уравнениям и не позволяет выявить те участки обуви, которые наиболее подвержены влиянию холода, и защитить именно их от теплопотерь. Поэтому так важно разработать математическую модель для обоснования выбора пакетов материалов для верха и низа обуви с целью создания комфортности стопы с учетом продолжительности воздействия на нее низких температур.

Работа направлена на решение актуальной проблемы разработки пакетов материалов для защиты стопы от воздействия низких температур с обеспечением комфортных условий в течение заданного времени эксплуатации.

Работа выполнена в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса в рамках научно-исследовательской работы по федерально-целевой программе «Разработка инновационных технологических процессов производства обуви с использованием нанотехнологий», а также в соответствии с утвержденной «Стратегией развития легкой промышленности до 2020г.» в том числе в ЮФО и СКФО, что позволило прогнозировать теплозащитные свойства обуви, базирующиеся на использовании экспериментальных и теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные реальным условиям эксплуатации.

Цепь работы.

Целью работы являлась разработка пакета материалов для создания комфортности стопы в условиях эксплуатации для различных климатических зон за счет обеспечения специального подбора материалов и оптимизации конструкции обуви.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ тепловых сопротивлений пакетов материалов не только для различных материалов, но и их различных форм, чтобы обосновать необходимость учета формы пакета при построении математической модели процесса теплообмена.

2. Построение геометрического образа базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов для рассмотрения процесса теплообмена при стационарной и нестационарной теплопроводности для плоской пластины, цилиндрических и сферических сегментов с краевьми условиями 1-го - 4-го рода.

3. Разработка программного обеспечения для расчета изменения температуры при теплообмене в системе «стопа - обувь - окружающая среда», учитывающего зависимость теплопроводности обуви от температуры материалов пакета.

4. Обоснование выбора пакетов материалов для защиты стопы от воздействия на нее низких температур. Проведение экспериментальных исследований для трех моделей базового вида обуви (ботинок) в микроклиматической камере.

Методы исследования: в работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики. Их результаты сравнивались и сопоставлялись с известными экспериментальными и теоретическими данными. Были применены численные методы при решении систем нелинейных уравнений, вычислении интегралов и приближенных значений сумм сходящихся рядов. При исследовании краевых задач для систем дифференциальных уравнений теплопроводности с различными граничными условиями использован классический метод Фурье, позволяющий

представить решения в виде абсолютно сходящегося ряда по собственным функциям соответствующего дифференциального оператора. В работе использованы программные продукты операционной среды Windows ХР, ЗД Studio МАХ5, Maple 9,5, EXCEL, что позволило прогнозировать теплозащитные свойства, базирующиеся на использовании экспериментальных и теоретических подходов позволяющих получить результаты, адекватные реальным условиям эксплуатации. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

- разработано программное обеспечение для расчета распределения температуры внутри пакета материалов и расчета зависимости удельных и абсолютных теплопотерь с поверхности различных конструктивных узлов обуви;

- построены .математические модели процесса теплообмена для систем «стопа - обувь - окружающая среда», которые реализуют возможность решения краевых задач для многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов с граничными условиями 1-4 рода;

л- Р®??изован геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью программы 3D studio МАХ 5, представляющий собой совокупность составных многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов обувных материалов;

- разработана методика определения времени комфортного пребывания стопы в обуви при условии воздействия на нее низких температур;

- построены математические модели для процессов локального теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда», учитывающие форму многослойных пакетов материалов и описывающие зависимость распределения температуры внутри обуви от времени воздействия низких температур;

- разработана методика выбора пакета материалов верха и низа обуви в различных климатических зонах для обеспечения комфортного температурного режима стопы в течение заданного времени эксплуатации.

Практическая ценность работы:

- разработан программный продукт «Программное обеспечение для расчета задачи теплообмена системы «стопа - обувь - окружающая среда», «Программный продукт для решения задач нестационарных процессов теплообмена для системы «стопа - обувь - окружающая среда» при условии зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры»;

- построен геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью плоских пластин, цилиндрических и сферических сегментов;

- изготовлены мужские ботинки разных моделей, которые были подвергнуты исследованиям в микроклиматической камере. Результаты опытной носки подтвердили высокую эффективность построенных математических моделей для обоснованного выбора пакетов материалов и обеспечения комфортности стопы при воздействии на нее низких температур;

- получена новая база данных, подтвержденная построенными математическими моделями обеспечивает комфортные условия стопе в течение всего периода эксплуатации и позволяет использовать их в качестве адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма человека и соответствия обуви условиям ее использования.

Разработанные программные продукты были апробированы на обувных предприятиях ООО «Рант» и ООО «Виктория» г. Новочеркасск и подтвердили свою высокую эффективность по обеспечению комфортных условий стопе при воздействии на нее низких температур. Кроме того они используются в учебном процессе на кафедрах «ТШИиМ», «МКиД», «ТИКСС» для студентов'специальностей 260905 «Технология изделий из кожи» и 260906 «Конструирование изделий из кожи» в лабораторных курсах по дисциплинам «Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности» и «Конфекционирование материалов для изделий из кожи», а также при выполнении курсовых работ по данным дисциплинам и по дисциплине «Исследовательская работа на стыке фундаментальных дисциплин».

Основные положения, выносимые на защиту:

Концепция комплексного исследования стационарных и нестационарных процессов теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда».

Разработка геометрического образа базового вида обуви (ботинок) с помощью плоской пластины, цилиндрических и сферических сегментов.

Программный продукт для расчета распределения температуры внутри пакета материалов и расчета зависимости удельных и абсолютных теплопотерь с поверхности различных конструктив-

ных узлов обуви при определении времени комфортного пребывании человека в различных климатических зонах.

Результаты экспериментальных исследований зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур для системы «стопа - обувь - окружающая среда».

Программный продукт по обоснованному выбору пакетов материалов для обеспечения комфортного пребывания человека в течение всего периода его нахождения в климатических зонах с пониженной температурой на основе адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма человека и соответственно обуви, условиям ее использования.

Результаты экспериментальных исследований по определению времени комфортного пребывания стопы в обуви при условии воздействия на нее низких температур.

Рекомендации по обоснованному выбору пакета материалов для обуви, эксплуатируемой в различных климатических зонах.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в обосновании и постановке целей исследования, формирования задач, выбор методов и направления исследования, анализ и систематизация полученных результатов, теоретического заключения, положения и выводы по работе, организация и непосредственное участие в экспериментальных исследованиях диссертации принадлежит лично автору. Ряд положений методологического, теоретического и экспериментального характера в разработке и исследовании пакетов материалов для защиты стопы человека от воздействия на нее низких температур выполнены с участием автора.

Апробаиия результатов работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях ЮРГУЭС в 2007-2011 гг. г. Шахты, Ростовской области; международных научно-практических конференциях «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» в 2006-2010 гг. г. Одесса, Украина и «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» в 2007-20И гг. г.Витебск, Республика Беларусь; а также в научно-технических конференциях гг. Киев, Сочи, Пятигорск, Пенза, Краснодар; конкурсе проектов по программе «У.М.Н.И.К.» в 2007-2011 гг. г. Шахты, Ростовской облаем.

Основные результаты работы изложены в 42 публикациях, из которых 12 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и в 5 свидетельствах о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа изложена на 258 страницах машинописного текста, состоит из введения и 4 глав, 36 таблиц, 104 рисунков, общих выводов и библиографического списка, насчитывающего 160 наименований, а также приложений, изложенных на 91 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и намечены задачи для их достижения, показаны научная новизна и практическая значимость работы, дана структура диссертации.

В первой главе проведен системный анализ основных особенностей физиологии человека, особенностей климатических зон России, представлены характерные зависимости сопутствующих факторов среды и физиологии человека в широком диапазоне низких температур. Проведен анализ изменения температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур. Сформулировано понятие теплового комфорта как термически нейтрального состояния, когда механизмы терморегуляции не испытывают напряжение. 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 не должна быть ниже 27-33 °С, а температура внутриобувного пространства должна бьгть 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, что позволяет производить лишь усредненное прогнозирование теплозащитных свойств обуви. Кроме того, большинство существующих математических моделей не учитывают особенности формы исследуемого пакета материалов для различных участков стопы и требуют выполнения для своего использования условия поддержания постоянной температуры внутри обуви на все время эксперимента, что в реальных условиях, как правило, не выполняется. В этой связи их нельзя использовать в качестве адекватного про-

гностического показателя степени охлаждения организма и соответствия обуви условиям ее использования.

Следовательно, чтобы обеспечить высокую эффективность результатов исследования, целесообразно представить обувь как совокупность многослойных пакетов, отличающихся друг от друга формой и наполняемостью пакетов, и проводить не усредненное, а интегральное прогнозирование обеспечения комфортности стопы от воздействия на нее низких температур. Сформулированы задачи исследования. •

Во второй главе рассматривался нестационарный процесс теплообмена в системе «стопа -обувь - окружающая среда» для пакетов материалов, представляющих плоскую пластину, цилиндрические и сферические сегменты с краевыми условиями второго, третьего и четвертого рода.

От стопы на внутренний слой обуви поступает тепловой поток плотности д. Теплообмен

между внешней поверхностью обуви и окружающей средой (с температурой Тс) происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплоотдачи ОС. Предполагается, что на границе слоев существует идеальный контакт, т.е. температура 2). и тепловые потоки на поверхности соседних слоев одинаковы.

Решение задачи дает распределение температуры внутри пакета и на его поверхностях при стационарном процессе теплообмена, а также выражение полных тепловых сопротивлений для многослойных пакетов различных форм.

Методами дифференциального исчисления доказано, что тепловые сопротивления пакетов, составленных из одних и тех же материалов, различны и зависят от формы пакета, а именно, Ип> Яш, где #„,, - тепловые сопротивления соответственно плоского, цилиндрического и шарового пакетов. 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 нестационарный процесс теплопередачи через пакеты материалов с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры материалов пакета. 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. На установке, созданной в МГУДТ, подтвердили, что при воздействии на стопу низких температур тепловое сопротивление материалов изменяется, что необходимо учитывать при разработке математической модели. Основной целью математической модели, разработанной в диссертационной работе является описание распределения температуры внутри обувных пакетов различной формы. На основе этого можно получить зависимость температуры внугриобувного пространства от времени эксплуатации обуви в условиях низких температур. Изготовленные базовые модели обуви (ботинки) испытывались в микроклиматической камере ГУ НИИ Медицина труда РАМН в соответствии с ГОСТ Р 12.4.185-99 «Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты от пониженных температур». Теплоизоляция (тепловое сопротивление) пакета материалов обуви определялась по методу А1, то есть с участием человека-испытателя, а не на тепловом манекене (рис. 1).

Сущность метода А1 изложена в ГОСТе и в методических указаниях МУ К.4.3.1901-04 «Методика определения теплоизоляции средств индивидуальной защиты головы, стоп, рук на соответствие гигиеническим требованиям» и заключается в определении теплоизоляции комплекта СИЗ (средства индивидуальной защиты) на основе результатов измерения температуры кожи человека и плотности сухого теплового потока с поверхности его стоп в заданных условиях испытания В данном случае при температурах -5 °С, -10 °С и -15 °С в течение 60 минут. Данные о показаниях датчиков выводились на измерительно-расчетный комплекс и подвергались обработке программой. Показания теплового состояния кожи регистрировались каждые пять минут в течение 60 минут.

Основной задачей построения математических моделей в работе является расчет зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия внешней среды на человека и описания распределения температуры внутри обувных пакетов материалов различной формы, чтобы иметь возможность выработать рациональные принципы зонального утепления обуви с учетом локального теплообмена различных участков стопы человека в обуви с внешней средой.

Рис. 1. Схема микроклиматической камеры и измерительного комплекса для определения температуры кожных покровов нижних конечностей

В третьей главе рассмотрен нестационарный процесс теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда» при постоянных коэффициентах теплопроводности материалов пакета. Сложность рассматриваемого процесса теплообмена и невозможность учесть всего многообразия действующих факторов требуют введения ряда условий и ограничений:

- стопа человека рассматривается как неотъемлемая часть целостного организма, получающая часть тепла из общей теплопродукции;

- комфортное тепловое состояние стопы характеризуется температурой внутриобувного про-

странства различных участков стопы;

- охлаждение стопы рассматривается на первой стадии, когда самочувствие человека сохраняется нормальным, терморегуляторные функции не напряжены. Температура кожи не ниже критической, что позволяет стопе поддерживать теплообразование на определенном среднем уровне, зависящем от физической активности человека;

- одежда, защищающая основные части тела человека (туловище, руки, ноги, стопы), соответствует метеорологическим условиям, в которых находится человек;

- увлажнение деталей обуви влагой из внешней среды учитывается при выборе коэффициен-

та теплопередачи с поверхности обуви в окружающую среду и выборе коэффициентов теплопроводности и температуропроводности внешних слоев обуви;

- при эксплуатации обуви при пониженных температурах влияние испарения пота на процесс теплообмена считается несущественным

Основными факторами, влияющими на температуру внутриобувного пространства при построении математической модели, являются температура окружающей среды, теплообразование стопы, теплофизические свойства материалов, составляющих обувные пакеты, форма этих пакетов и теплоотдача с внешней поверхности обуви в окружающую среду.

В основу концепции математической модели положено представление обуви как совокупность многослойных пакетов материалов различной формы и состава. Для ее разработки с помощью программы 3D Studio МАХ 5 был построен геометрический образ модели обуви (на примере ботинка).

Математическая модель нестационарного процесса теплообмена представляет собой решение трех краевых задач для системы дифференциальных уравнений теплопроводности соответственно для плоской пластины, цилиндрического и сферического сегментов. Решение краевой задачи находится методом Фурье в виде сходящегося функционального ряда.

Используя теплофизические характеристики материалов, составляющих обувной пакет, температурные условия окружающей среды и тепловой поток стопы, по полученным формулам можно рассчитать температуру в любой части обуви для соответствующего момента времени.

В частности, можно получить температуру внутриобувного пространства как функцию времени, которая является критерием температурной комфортности стопы при эксплуатации обуви в условиях низких температур.

Для численной реализации построенных математических моделей теплообмена были написаны программы в математической оболочке Maple 9.5. Программы позволяют получить распределения температуры внутри обувного пакета и, в частности, зависимость температуры внутриобувного пространства от времени. В качестве примера теоретического расчета изменения температуры внутриобувного пространства как функции времени при воздействии на обувь низких температур рассматриваются мужские ботинки. Материалы, из которых составлены пакеты, и их теплофизические характеристики приведены в диссертации. Температура окружающей среды предполагается равной -15 и -5 °С, начальная температура внутриобувного пространства равна +22 °С. Плотность теплового потока стопы берется равной 64 Вт/м2, что соответствует энергозатратам человека при легкой физической нагрузке. Коэффициент теплоотдачи предполагается равным 7 Вт/(м2 °С), (согласно данным Р Ф. Афанасьевой при скорости ветра 0-0,5 м/с).

Результаты вычислений представлены на графиках зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур (рис. 2) с характеристикой изменения температуры контакта поверхности различных участков стопы и обуви при воздействии на нее разных по значению низких температур.

Из рисунка 2 видно, что наибольшая потеря тепла происходит в носочной части стопы. В связи с этим при проектировании зимней обуви, чтобы продлить время комфортного пребывания, необходимо подбирать соответствующие материалы, формирующие пакет в носочной части. Обувь, изготовленная с использованием выбранных пакетов, характеристика которых и теплофизические характеристики материалов, сформировавшие эти пакеты, приведенные в диссертации, обеспечивают длительное комфортное пребывание стопы только при температуре окружающей среды -5 °С и не-

Время, ч

1,1'- Температура внутриобувного пространства ходовой части стопы; 2,2' - Температура внутриобувного пространства пяточной части стопы; 3, 3' - Температура внутриобувного пространства тыльной стороны стопы; 4,4' - Температура внутриобувного пространства носочной части стопы

Рис. 2 Графики зависимости температуры внутриобувного пространства для различных участков стопы от времени воздействия низких температур

Построенные математические модели позволяют найти распределение температуры внутриобувного пакета материалов при воздействии на него низких температур. На рисунке 3 приведены графики распределения температуры внутри пакета материалов от времени при температуре воздуха, равной -10 "С, и плотности теплового потока с поверхности ходовой части стопы, равной 64 Вт/м2. Теплофизические характеристики материалов, формирующие пакеты, приведены в диссертации.

1 - температура между первым и вторым слоями; 2 - между вторым и третьим слоями;

3 - между третьим и четвертым слоями; 4 - между четвертым и пятым слоями;

5 - серединного горизонтального сечения пятого слоя; 6 - температура окружающей среды

Рис. 3. Распределение температуры внутри пакета материалов

Тепловое состояние человека зависит от дефицита тепла в его организме. Если теплообразование организма уравновешивается теплоотдачей с поверхности его тела через одежду и обувь, то создается тепловой баланс. Если теплообразование больше, то тепло накапливается в организме, если теплообразование меньше, то теплосодержание и средняя температура тканей тела человека снижаются. В работе проведен расчет теплопотерь с различных зон мужских ботинок клеевого метода крепления (рис. 4).

эз 51

Для поверхности зон 1—4, 6 теплообмен с окружающей средой осуществляется по закону Ньютона. А для 5-й и 7-й зон подошвы, которые непосредственно опираются на поверхность земли, температура предполагается равной температуре окружающей среды -10 °С. На рисунке 5 приведены расчетные графики абсолютных теплопотерь (с учетом занимаемых площадей) всех семи зон обуви.

Исследование удельных теплопотерь пакетов верха показали, что за первый час пребывания на холоде наибольшие теплопотери с единицы поверхности несет носочная часть обуви и ее задинка. Затем по мере быстрого остывания носка разность температур поверхности носка и окружающей среды уменьшается, а следовательно, снижаются и теплопотери. Напротив, теплопотери задинки остаются в дальнейшем больше, чем носка, за счет большей площади внешней поверхности задинки и больше, чем у союзки и голенища, за счет более высокого коэффициента теплоотдачи.

Для низа обуви наибольшие теплопотери несет носочная часть (зона 5), которая соприкасается с поверхностью земли, а наименьшие теплопотери у пяточной части подошвы, у которой самое большое тепловое сопротивление.

К

е,

О 1 2 3 л 5

Время, ч

Рис. 5. Зависимость теплопотерь обувных зон от времени воздействия низких температур при плотности теплового потока стопы q = 64Вт/м2

В четвертой, главе изучался нестационарный процесс теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда» с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности обуви от температуры материалов пакета. Большинство применяемых материалов в первом приближении можно считать изотропными, а зависимость их коэффициентов теплопроводности X от температуры можно аппроксимировать линейной функцией Х(Г) = Х0(1 + РДГ), (ДГ = Г-Г0), где Х0- теплопроводность при температуре Т - Т0; Р (1/ град)- коэффициент пропорциональности, определяемый из эксперимента.

Для плоских пакетов (V = 0) , а также пакетов цилиндрической (V = 1) и сферической (У - 2) формы краевая задача теплообмена в диссертационной работе ставится следующим образом.

г. дг

(1)

I - 1 < г, <Л,. Граничные условия:

- теплоотдача с поверхности пакета в окружающую среду осуществляется по закону Ньютона'

дТ

К (Тп)-^-(1л,0 + а(Тп(Яп,с) -Гс) = 0, (2)

- внутренняя поверхность пакета материалов нагревается тепловым потоком стопы плотности <

(0,0 + 4 = 0.

дг,

(3)

- между слоями низа обуви предполагается идеальный контакт, который выражается условиями сопряжения на стыках:

= Ш,-„О ; = о . (4)

дг,-1 дг,

Начальные условия: 7^(^,0) = /¡(г^

Задача решается при предположении, что коэффициенты температуропроводности не зависят от температуры (это условие выполняется для многих теплозащитных материалов) и при условии, что коэффициенты пропорциональности ¡3 принимают равные усредненные значения для всех слоев.

низ верх

Время, ч Время, ч

б(-15°С)

Время, ч Время, ч

в (-20°С)

Рис. 6. Зависимость температуры внутриобувного пространства обуви от внешнего воздействия низких температур

7(/) = 166,67^1,4 + 0,35е~г х" - 0,23е"г2да + О^ве-67'7" Г(г)= 166,67^/1,49 + 0,27е'г" - 0,22с'"'1" +0,042^"^ 7'(()= 166,67^1,39 + 0,36е"2'2' -0,24<Га'* + 0,062е -181,67 -181,67 -181,67

и «

В

. 30

20

я . 10

10 . 20 30 40 ЬО Ы) Время, мин Погрешность 3% 1 модель

40'

30

20)

10-

10 20 30 40 5Й 60

Время, мин

Погрешность 3.3%

2 модель

30,

10

10 . 20 зо 40 £0 со Время, мин

Погрешность 4.6% 3 модель

Рис. 7. Экспериментальные и теоретические зависимости температуры внутриобувного пространства в области носка моделей 1,2,3 от времени воздействия температуры( -15 °С)

т(1) = 166,67^1,41 + 0,32е-'-4" ~0,2е~тб' + О.Обе"4'-22 Т(() = 166,67^1,44 + 0,29г"''16'-0,26е'ю'ш + 0,12е<г-™ Г(«) = 166,67-^1,39 + О.Збе-283')-0,24<Г23'8" + О.Обе"72'64 -181,67

^ 40 »Г

е , §

30

о &

& 5?

н га . 20 : .зо

) . 53 60 Время, МИ11 Погрешность 4.6%

1)верх

-181,67 •40, .

20

13 ' 2Ь 30 40 '50 ' ' ЕЙ' Время, мш!

Погрешность 3%

2) низ

-181,67 ад

зо

10: 20 зо

ш ео

Время, мин Погрешность 4.5%

3)носок

Рис. 8. Результаты экспериментальной и теоретической зависимости температуры внутриобувного пространства 3 базовой модели мужской обуви (ботинок) от времени воздействия при температуре (-15°С) для различных участков стопы

Кривые 1, 2, 3, приведенные на рисунке 6, подтверждают высокую эффективность нового программного обеспечения для расчетов зависимости температуры от времени при решении задачи нестационарных процессов теплообмена системы «стопа - обувь - окружающая среда» для трёх видов обуви: 1 - полуботинки мужские летние; 2 - полуботинки мужские для осенне-весеннего периода носки и 3 - ботинки мужские зимнего периода носки. Только третья модель обуви удовлетворяет требованиям по созданию комфортности стопы человека при воздействии на нее низких температур. Следовательно, подтверждается предположение о выработке рациональных принципов зонального утепления обуви только с учетом локального теплообмена различных участков стопы человека в обуви с внешней средой.

На рисунке 7 приведены экспериментальные и теоретические зависимости температуры внутриобувного пространства в области верха для моделей 1, 2 и 3 мужской базовой обуви (ботинок) от времени воздействия температуры -15 °С. Пакеты материалов для этих моделей были сформированы на основе их теплофизических характеристик. Экспериментальные данные были получены с использованием климатической камеры ГУ НИИ Медицины труда РАМН. На рисунке 8 показаны результаты экспериментальной и теоретической зависимости температуры внутриобувного пространства для третьей модели от времени воздействия при температуре -15 °С для различных участков стопы.

Таким образом, результаты исследований подтвердили обоснованность предположения о необходимости учета интегрированного теплообмена различных участков стопы, а не усредненного, так как при значении температуры внутриобувного пространства в носочной части, близкой к критической (21 °С), все остальные участки стопы человека в обуви, вроде бы находясь в условиях комфортности (выше 25 °С), в целом не обеспечивают комфортность стопе человека.

Выполненные исследования позволяют существенно сократить число стендовых испытаний при моделировании в условиях, близких к реальным, в том числе и с учетом особенностей климатических зон.

Кроме того, использование построенных математических моделей оправдано еще и потому, что позволяет оценивать новые материалы по формированию пакетов для любых видов и родов обуви, обеспечивая высокую достоверность результатов по созданию комфортности стопы при воздействии на нее пониженных температур.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа системы «стопа - обувь - окружающая среда» применительно к обоснованному выбору пакетов материалов для защиты стопы от воздействия на нее низких температур были выявлены основные факторы, формирующие комфортное состояние внутриобувного пространства, а именно, выше критической (21 °С).

2. Проведенный анализ тепловых сопротивлений пакетов различных форм подтвердил необходимость учета их формы при построении математической модели процесса теплообмена для формирования комфортных условий стопе человека.

3. Определены теплофизические характеристики обувных материалов методом нестационарной теплопроводности на установке, созданной в МГУДТ. Определены температура кожи человека (испытателя) и плотность теплового потока с поверхности его стоп, находящегося в микроклиматической камере ГУ НИИ Медицины труда РАМН в течение 60 минут в образцах мужской базовой обуви (ботинки) при температуре -5 °С, -10 °С, -15 "С.

4. Разработана структурная схема исследования зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур, что позволяет сформировать методику обоснованного выбора пакета материалов с учетом особенностей климатических регионов.

5. Подтверждена возможность использования разработанных математических моделей и программного продукта в качестве экспресс-метода оценки теплопроводности пакетов из новых материалов для получения зависимости температур внутриобувного пространства от времени воздействия на стопу низких температур, что позволяет осуществлять обоснованный выбор материалов для пакетов по обеспечению стопе человека комфортных условий.

6. Реализована задача локального прогнозирования теплозащитных свойств обуви за счет разработки математической модели нестационарного процесса передачи тепла через обувь как краевой задачи для получения зависимости температур внугриобувного пространства от времени для плоских пластин, цилиндрических и сферических сегментов, создающих геометрический образ обуви для проведения теоретического расчета зависимости температуры внутриобувного пространства для пакетов материалов при температуре окружающей среды -5 °С; -10 °С; -15 "С с установлением комфортного времени пребывания человека в обуви во внешней среде.

7. Полученные экспериментальные и теоретические зависимости температуры внутри-обувного пространства от времени воздействия низких температур (для базовых мужских ботинок при погрешности вычислений не более 5 % ) подтвердили, что время комфортного пребывания человека обеспечивается в течение всего периода эксперимента, а самц построенные математические модели для расчета температур внутриобувного пространства могут быть использованы для обоснованного выбора материалов для пакетов с заданными свойствами с обеспечением комфортности стопе носчика в различных климатических зонах.

8. Результаты работы имеют как социальный эффект, заключающийся в обеспечении потребителей теплозащитной обувью, соответствующей условиям эксплуатации ее при низких температурах, так и экономический эффект за счет существенного сокращения времени на обоснованное формирование пакетов из материалов с целью обеспечения комфортных условий стопе человека при воздействии на неё пониженных температур.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора Монографии

1. Осина Т.М. Особенности защиты человека от воздействия низких температур: монография / Т.М. Осина [и др.]. -Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2008.-316 с.

2. Осина Т.М. Об особенностях использования программного обеспечения для инновационных технологических процессов многоассортиментных производств изделий из кожи на базе на-нотехнологий: монография / Т.М. Осина, В Т. Прохоров, Ю.Д. Мишин, П.М. Постников [и др.]; под общей ред. д.т.н., В.Т. Прохорова; ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - 279с. С.13-143.

3. Осина Т.М. О преимуществах инновационных технологических процессов производства изделий из кожи с использованием нанотехнологий: монография / В.Т. Прохоров, Ю.Д. Мишин, П.М. Постников [и др.]; под общей ред. д.т.н., В.Т.Прохорова; ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - 188 с. С.53-101.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах по перечню ВАК

4. Осина Т.М. Использование математической модели для оценки теплозащитных свойств материалов для обуви / Т.М. Осина [и др.] // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2004. - Приложение 6. - С.96-103.

5. Осина Т.М. Математические модели микроклимата в обуви при воздействии на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2005. - № 2. - С.6-14.

6. Осина Т.М. О формировании обобщенных свойств пакетов материалов для повышения комфортности обуви / Т.М. Осина [и др.] // Вестник Московского государственного университета дизайна и технологии: сборник науч. Трудов - ИИЦ МГУДТ. - М 2005 - Вып 3(45) -С. 120-126.

7. Осина Т.М. Математическая модель расчета теплозащитных свойств материалов для обуви / Т.М. Осина [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность. - М., 2005. - № 5. - С. 34-36.

8. Осина Т.М. Особенности распределения температуры в деталях обуви / Т.М. Осина [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность. - М., 2005. - № 5. - С. 47-49.

9. Осина Т.М. Особенности процесса теплообмена в носочной части обуви [Текст] / Т.М. Осина [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность. - М., 2005. - № 6. - С. 48-49.

10. Осина Т.М. Математическое моделирование процесса теплообмена в системе «Стопа - обувь - окружающая среда» / Т.М. Осина [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность - Москва, 2008.-№3. -С. 46-48.

11. Осина Т.М. Разработка условий комфортности системы «Стопа - обувь - окружающая среда» для нестационарных процессов теплообмена / Т.М. Осина, В.Т. Прохоров, А.Б. Михайлов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -Новочеркасск, 2008. - № 1. - С. 82-88.

12. Осина Т.М. Разработка и исследования пакетов материалов для защиты стоп от воздействия низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. - Новочеркасск, 2009. -№ 1. - с. 131

13. Осина Т.М. «Особенности математического моделирования нестационарного процесса теплообмена в системе «Стопа - обувь - окружающая среда» / Т.М. Осина, А.Б. Михайлов, И.Д. Михайлова, А.П. Жихарев // ГОУ ВПО МГУДТ, Научный журнал «Дизайн и технологии» -М.:ИИЦ МГУДГ: 2009. -№11-с. 181.

14. Осина Т.М. Об эффективности разработанного программного обеспечения / Т.М. Осина, А.Б. Михайлов, И.Д. Михайлова, А.П. Жихарев // «Кожевенно-обувная промышленность»: 2009. -К»3-е. 34-38.

15. Осина Т.М. Оценка эффективности создания комфортных условий человеку в климатических зонах с пониженной температурой / Т.М. Осина, А.П. Жихарев, А.Б. Михайлов, В.Т. Прохоров, Р.Ф. Афанасьева, И.Д. Михайлова, // Известия вузов. СКР. Технические науки: 2010. -№2-с.107-113.

Патенты, свидетельства о регистрации программного продукта

16. Осина Т.М. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2006611288. программное обеспечение для расчета задачи теплообмена системы «Стопа - обувь - окружающая среда». Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 17 апреля 2006 г.

17. Осина Т.М. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2008610087. программное обеспечение для решения задачи нестационарных процессов теплообмена для системы «Стопа - обувь - окружающая среда» при условии зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры. Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 09.01.2008.

18. Осина Т.М. и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2009613371. Программное обеспечение решение задачи оценки комфортного пребывания человека в обуви в зависимости от изменения теплового потока стоп во времени. Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 26.06.2009г.

19. Осина Т.М. и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2011611394. Программный продукт для расчета температурного поля нестационарного процесса теплообмена в системе «Стопа - обувь - окружающая среда» при воздействии на стопу низких температур. Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 11.02.2011 г.

20. Осина Т.М. и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2011619212. Программное обеспечение по описанию локального нестационарного теплообмена в системе «Стопа-обувь-окружающая среда» для различных климатических зон». Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 30.11.2011г.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

21. Осина Т.М. О значении программного обеспечения для формирования комфортных условий стопы при воздействии на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Тезисы докладов VI всеукраинской конференции молодых ученых и студентов. «Науков! молод1 на сучасноу еташ» 17-18 Квггня 2007 року. -Киев: КНУТД, 2007. - С. 90-91.

22. Осина Т.М. О возможности программного продукта для обеспечения комфортности стопы при воздействии на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // «Обувь - производство -качество - рынок». - М., 2006. - № 11-12. - С. 36-43.

23. Осина Т.М. Обоснование выбора пакетов обувных материалов для защиты стопы от воздействия на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // «Обувь - производство - качество -рынок». - М., 2006. - № 5. - С. 19-24.

24. Осина Т.М. Оценка роли факторов, влияющих на комфортность обуви при воздействии на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // «Обувь - производство - качество - рынок». -М., 2005. - № 9. - С. 38-45.

25. Осина Т.М. О новых возможностях математической модели теплообмена при расчете тепло-потерь с поверхности обуви / Т.М. Осина [и др.] // Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности: Сборник статей Международной научно-технической конференции ВГТУ. - Витебск, 2005. - С. 220-228.

26. Осина Т.М. Разработка рекомендаций по обоснованному выбору пакета материалов для защиты стопы от воздействий на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Тезисы докладов III Всеукраинской научной конференции молодых ученых и студентов (19-21 мая 2004 г.) КНУТД. - Киев, 2004. - С. 79.

27. Осина Т.М. О возможностях математического моделирования для обоснованности выбора пакетов от воздействий на стопу низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Тезисы докладов III Всеукраинской научной конференции молодых ученых и студентов (19-21 мая 2004 г) КНУТД. - Киев, 2004. - С. 76.

28. Осина Т.М. Об эффективности опроса респондентов при анализе влияния факторов на производство комфортной обуви / Т.М. Осина [и др.] // Тезисы докладов III Всеукраинской научной конференции молодых ученых и студентов (19-21 мая 2004 г.) КНУТД. - Киев, 2004 -С. 75.

29. Осина Т.М. Влияние многослойных полых цилиндрических пакетов материалов на распределение в них температуры / Т.М. Осина [и др.] // Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи: сборник статей Междунар. научной конференции / УО «ВГТУ». - Витебск, 2004. - С. 272-275.

30. Осина Т.М. Новое в оценке роли факторов, влияющих на комфортность обуви при воздействии на них низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи : сборник статей Междунар. научной конференции / УО «ВГТУ». - Витебск, 2004. - С. 88-96.

31. Осина Т.М. Анализ факторов, влияющих на создание комфортности обуви при воздействии на стопу низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Проблемы создания гибких технологических линий производства изделий из кожи: Междунар. сборник научных трудов / ЮРГУЭС. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2004

32. Осина Т.М. Теория и практика экспертизы и сертификации материалов и изделий: монография / Т.М. Осина [и др.]; под общей редакцией д.т.н., проф. В.Т. Прохорова - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС: 2009. -с. 436.

33. Осина Т.М. О формировании комфортных условий для стопы при нахождении обуви в зоне холода / Т.М. Осина, А.П. Жихарев, Р.Ф. Афанасьева, А.Б. Михайлов, В.Т. Прохоров // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической «Современные направления теоретических и практических исследований», Технические науки, Одесса ■ 2009,- №6- с. 49-53.

34. Осина Т.М. Исследование и выбор пакетов материалов при производстве обуви специального назначения для обеспечения ее качества и комфортности стоп при воздействии на нее низких температур / Т.М. Осина [и др.] // Международный сборник научных трудов «Техническое регулирование: базовая основа качества товаров и услуг», изд. ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», Шахты: 2009.-с. 39-51.

35. Осина Т.М. О возможностях программного обеспечения при выборе пакетов материалов для защиты стоп от воздействия низких температур. / Т.М. Осина [и др.] // Тезисы докладов VIII всеукраинской конференции молодых ученых и студентов. «HayKOBi разробки молод) на су-часноуеташ» 23-24 Кв1тня 2009 року, Киев - КНУТД. - Том 1 -с. 126-127.

36. Осина Т.М. Об эффективности программного обеспечения для оценки соответствия специальной обуви ее целевому назначению / Т.М. Осина, А.П. Жихарев, Р.Ф. Афанасьева // Международный сборник научных трудов «Техническое регулирование: базовая основа качества материалов, товаров и услуге, изд. ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», Шахты: 2010. - с. 195-203.

37. Осина Т.М. Особенности обеспечения комфортных условий человека находящегося в климатических зонах с пониженной температурой / Т.М. Осина, В.Т. Прохоров, Р.Ф. Афанасьева // Сборник научных трудов «Социально-экономические и технико-технологические проблемы развития сферы услуг», РТИСТ ЮРГУЭС, Ростов-на-Дону: 2010. - Вып. 9 - Часть 2 - с 282295.

38. Осина Т.М. «Защита стопы человека в климатических зонах с пониженной температурой» / Осина и др.// Сборник трудов Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона «Лен -2010»», Костромской государственный технологический университет, Кострома, изд. Костромского государственного технологического университета: 2010. - с. 174-176.

39. Осина Т.М. «Обеспечение комфортных условий стопе человека в климатических зонах с пониженной температурой» / Осина и др.// Сборник трудов Международной научно-

технической конференции Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона «Лен - 2010», Костромской государственный технологический университет, Кострома, изд. Костромского государственного технологического университета: 2010. - с. 176-178.

40. Осина Т.М. Об эффективности использования программного обеспечения для оценки теплообмена в системе «Стопа - обувь - окружающая среда» в среде с низкими температурами / Т.М. Осина и др. // доклад на Международной научно-практической конференции «Техническое регулирование: базовая основа качества материалов, товаров и услуг» с изданием сборника статей, изд. ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», Шахты: 2011. - с. 86-90.

41. Осина Т.М. Об особенностях использования программного обеспечения для инновационных технологических процессов много ассортиментных производств изделий из кожи на базе на-нотехнологий: монография / под общей редакцией д.т.н., проф. В.Т. Прохорова - Шахгьг Изд-во ГОУ ВПО « ЮРГУЭС», 2010. - с. 279.

42. Осина Т.М. Об эффективности использования математической модели для расчета распределения температур внутри обуви при воздействии на стопу низких температур / Т.М. Осина // сборник научных статей ХП Международной научно-инновационной конференции аспирантов, студентов и молодых ученых с элементами научной школы «Теоретические знания - в практические дела» в двух частях, Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП», Омск: 2011. - с. 158-163.

Подписано в печать 09.04.2012г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл.п.л. 1,2. Тираж 120 экз. 3ак.32

Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М., Ростовская область, г.Шахты, улШевченко, 143.

61 12-5/2412

Федеральное государственное ошджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

На правах^|*сописи

Осина Татьяна Матвеевна

РАЗРАБОТКА ПАКЕТОВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТОПЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: Д.т.н., профессор Жихарев А.П.

Шахты - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ

« СТОПА - ОБУВЬ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»..................13

1.1 Основные понятия и определения............................................13

1.2 Понятия теплового комфорта..................................................18

1.2.1 Характеристика теплового комфорта зон России, для населения

которых требуется утепленная обувь.......................................19

1.2.2 Характер охлаждения стопы человека в условиях низких температур........................................................................24

1.2.3 Особенности терморегуляции человека в условиях низких Температур........................................................................26

1.3 Характеристика требований к материалам пакета обуви

для защиты стопы от низких температур...................................29

1.4 Материалы, используемые при изготовлении теплозащитной обуви...............................................................................32

1.5 Факторы, влияющие на теплопроводность обувных материалов.....37

1.5.1 Влияние структурных факторов на теплофизические характеристики обувных материалов.......................................38

1.5.2 Влияние климатических факторов на теплопроводность

обувных материалов обуви...................................................41

1.5.3 Влияние эксплуатационных факторов на теплопроводность обувных материалов...........................................................42

1.5.4 Влияние технологических факторов на теплопроводность обувных материалов...........................................................44

1.6 Постановка задачи исследования............................................46

Выводы по 1 главе.....................................................................49

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА

В СИСТЕМЕ

«СТОПА - ОБУВЬ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»..............................51

2.1 Методы оценки теплофизических характеристик материалов......51

2.2 Методы оценки теплофизических характеристик обуви..............56

2.3 Сравнительная оценка теплофизических реакций человека, _ используемого различную утепленную обувь при

различной температуре окружающей среды

(экспериментальные исследования).......................................61

2.3.1 Описание объекта исследования................. ..........................61

2.3.2 Методика проведения исследований в климатической камере средств индивидуальной защиты стоп (СИЗ С)........................63

2.3.3 Порядок подготовки к проведению испытаний СИЗ С с участием человека (метод А1).............................................66

2.3.4 Порядок проведения испытаний СИЗ С (метод А1)...................68

2.3.5 Правила обработки результатов испытаний.............................69

2.3.6 Результаты исследований терморегулярных реакций человека

в климатической камере (метод А1)......................................70

2.7 Процесс стационарного теплообмена в системе «стопа-обувь-окружающая среда» для пакетов материалов представляющих многослойные пластины, цилиндрические

и шаровые стенки.............................................................75

2.8 Описание процесса теплообмена в многослойных пакетах материалов в стационарном режиме с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры окружающей среды.............................................................................81

Выводы по 2 главе...................................................................87

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРИОБУВНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА СТОПУ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР............................................................88

3.1 Особенности, исследования внутриобувного пространства..........88

3.2 Анализ зависимости температуры внутриобувного

пространства от времени для различных деталей обуви...............90

3.3 Анализ зависимости температуры внутриобувного пространства для пакетов материалов от времени воздействия на них низких температур.......................................................................95

3.4 Решение задачи расчета теплопотерь с поверхности обуви...........97

3.5 Определение времени комфортного пребывания стопы человека

в условиях низких температур.............................................100

Выводы по 3 главе....................................................................101

ГЛАВА 4 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ

ЗАВИСИМОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРИОБУВНОГО ПРОСТРАНСТВА ОТ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ

ЧЕЛОВЕКА В СРЕДЕ С НИЗКИМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ......109

106

4.1 Разработка условий комфортности системы « стопа - обувь -окружающая среда»............................................................109

4.2 Оценка зависимости температуры внутриобувного пространства в области носочной части стопы от времени воздействия низких температур........................................................................123

4.3 Оценка зависимости температуры внутриобувного пространства

в области верха стопы от времени воздействия низких температур..129

4.4 Оценка зависимости температуры внутриобувного пространства

в области низа стопы от времени воздействия низких температур....134

4.5 Оценка зависимости температуры внутриобувного пространства обуви от времени воздействия низких температур.......................135

4.6 Оценка эффективности программного обеспечения по обоснованному выбору пакетов материалов для обуви..................142

Выводы по 4 главе.......................................................................148

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.................................................................150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................153

ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

При эксплуатации обуви в различных климатических зонах возникает ситуация создания таких условий, при которых стопа человека должна ощущать комфортность в течение всего времени нахождения человека в этих условиях. Для реализации такой задачи использовались специальные эксперименты, позволяющие проследить ситуацию изменения теплового состояния стопы в исследуемых образцах обуви при различной температуре воздуха.

Если носчик ощущал дискомфорт, то принималось решение, что такое соотношение выбранных материалов для верха и низа обуви не обеспечивают защиту стопы от воздействия на нее низких температур. Естественно, что такие эксперименты являлись затратными и материалоемкими, так как требовали проведения большого количества опытов в естественных условиях, или в специальных климатических камерах с привлечением большого числа носчиков, но это все равно не гарантирует от ошибок и практически неосуществимо при рассмотрении всего ассортимента обуви, который выпускается

обувными предприятиями.

Кроме экспериментальных методов определения теплозащитных свойств обуви, используются аналитические, основанные на определении суммарного сопротивления теплопереходу от поверхности стопы к внешней среде через пакеты материалов для верха и низа обуви. В выражение этого суммарного сопротивления входит средний коэффициент теплообмена обуви с внешней средой, который обычно рассчитывается по критериальным уравнениям и не позволяет выявить те участки обуви, которые наиболее подвержены влиянию холода и защитить именно их от теплопотерь. Поэтому так важно разработать математическую модель для обоснования выбора пакетов материалов для верха и низа обуви с целью создания комфортности стопы с учетом продолжительности воздействия на нее низких температур.

Если решение таких задач для обоснования выбора пакетов материалов при проектировании одежды посвящены исследования и работы А.Бартона, Л. Эдхолла, Р.Ф. Афанасьевой, З.С. Чубаровой, И.Ю. Бринка, Л.А. Бекмур-заева и др., то для обоснования выбора пакетов материалов для обуви эта задача не решена, что подтверждает правомочность выбора этого направления исследований.

Цели исследования.

Целью настоящей работы является разработка и исследование пакетов материалов для создания комфортности стопы с учетом продолжительности воздействия на нее низких температур. Такое решение задачи позволит уже на стадии проектирования обуви прогнозировать тепловое состояние стопы в условиях эксплуатации для различных климатических зон.

Задачи исследования:

1. Разработать структурную схему исследования зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур для системы «стопа - обувь - окружающая среда».

2. Провести анализ тепловых сопротивлений пакетов материалов не только для различных материалов, но и их различных форм, чтобы обосновать необходимость учета формы пакета при построении математической модели процесса теплообмена.

3. Построить геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов.

4. Рассмотреть процесс теплообмена при стационарной и нестационарной теплопроводности для многослойных плоских, цилиндрических и шаровых пакетов с краевыми условиями 2-го и 3-го рода.

5. С помощью математических методов планирования эксперимента определить основные факторы, влияющие на процесс передачи тепла через обувь.

6. Разработать программное обеспечение локального теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда», учитывающих зависимость распределений температуры внутри обуви от времени.

7. Обосновать выбор пакетов материалов для защиты стопы от времени воздействия на нее низких температур и провести экспериментальные исследования для трех моделей базового вида обуви (ботинок) в микроклиматической камере, чтобы подтвердить высокую эффективность построенных математических моделей.

Объект исследования: пакеты материалов моделей базового вида обуви (ботинок).

Общая характеристика методов исследования.

Поставленные теоретические задачи решены методами аналитической геометрии, математического анализа, линейной алгебры. При исследовании краевых задач для систем дифференциальных уравнений теплопроводности с различными граничными условиями использован классический метод Фурье, позволяющий представить решения в виде абсолютно сходящегося ряда по собственным функциям соответствующего дифференциального оператора. Были применены численные методы при решении систем нелинейных уравнений, вычислении интегралов и приближенных значений сумм сходящихся рядов. В работе использованы программные продукты операционной среды Windows ХР, ЗД Studio МАХ5, Maple 9,5, EXCEL, что позволило прогнозировать теплозащитные свойства, базирующиеся на использовании экспериментальных и теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные реальным условиям эксплуатации. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований, их согласованностью.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработано программное обеспечение для расчета распределения температуры внутри пакета материалов и расчета зависимости удельных и

абсолютных теплопотерь с поверхности различных конструктивных узлов обуви;

- рассмотрены стационарные и нестационарные процессы теплопередачи через многослойные пакеты материалов с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры внешней среды;

- построены математические модели процесса теплообмена для систем «стопа-обувь-окружающая среда», которые реализуют возможность решения краевых задач для многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов с граничными условиями 1-4 рода;

- реализован геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью программы 3D Studio МАХ 5, представляющий собой совокупность составных многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов обувных материалов;

- разработана методика определения времени комфортного пребывания стопы в обуви при условии воздействия на нее низких температур;

- даны рекомендации для обоснованного выбора пакета материалов верха и низа обуви в различных климатических зонах, чтобы обеспечить комфортный температурный режим стопе в течение заданного времени эксплуатации.

Значимость для теории.

1. Разработанная автором схема зависимости температуры внутри-обувного пространства от времени воздействия низких температур для системы «стопа - обувь - окружающая среда».

2. Построенный геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов.

3. Построенные математические модели для процессов локального теплообмена в системе «стопа - обувь - окружающая среда», учитывающие форму многослойных пакетов материалов и описывающие зависимость распределения температуры внутри обуви от времени воздействия низких температур.

4. Полученная новая база данных, подтвержденная построенными математическими моделями, обеспечивает комфортные условия стопе в течение всего периода эксплуатации и позволяет использовать их в качестве адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма человека и соответствия обуви условиям ее использования.

Практическая ценность и уеализаиия результатов работы в

промышленности:

— разработан программный продукт «Программное обеспечение для расчета задачи теплообмена системы «стопа - обувь - окружающая среда», «Программный продукт для решения задач нестационарных процессов теплообмена для системы «стопа-обувь - окружающая среда» при условии зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры»;

— обоснован выбор пакета материалов для верха и низа обуви, обеспечивающих комфортность стопы при воздействии низких температур, что подтвердило практическую значимость разработанного авторами программного продукта;

—построен геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов;

—изготовлены три пары мужских ботинок, которые были подвергнуты исследованиям в микроклиматической камере. Результаты опытной носки подтвердили высокую эффективность построенных математических моделей для обоснованного выбора пакетов материалов и обеспечения комфортности стопы при воздействии на нее низких температур.

Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

- межвузовских научно-технических конференциях ЮРГУЭС в 2007 -

2010 гг. г. Шахты , Ростовской области;

- международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» в 20062010 гг. г. Одесса, Украина;

- межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа, в 2008-2010 гг. г. Новочеркасск;

- международной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» в 2007-2010 гг. г. Витебск, Республика Беларусь;

- всеукраинской научной конференции молодых ученых и студентов, в 2007-2010 гг. г. Киев, Украина;

- всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в дизайн образовании» в 2007-2010 гг. г. Сочи;

- международном конгрессе «Проблема и перспективы развития рекреационных территорий: инновационные факторы их устойчивого развития» в 2007-2010 гг. г. Пятигорск;

- всероссийской научно-методической конференции на тему «Инновации в науке и бизнесе» в 2008-2010 гг. г. Пенза;

- межрегиональной научной конференции студентов и молодых ученых вузов ЮФО, в 2007-2010 гг. г. Краснодар;

- конкурсе проектов по программе «У.М.Н.И.К.» 2007-2010 гг. г. Шахты, Ростовской области.

Разработанное программное обеспечение по обоснованному выбору пакетов материалов при изготовлении обуви по обеспечению комфортности стопы при воздействии на нее низких температур было апробировано на обувных предприятиях ООО «Рант» и ООО «Виктория» г. Новочеркасск. Используется в учебном процессе на кафедрах «ТШИ и М», «МКиД», «ТИКСС» для студентов специальностей 260905 «Технология изделий из кожи» и 260906 «Конструирование изделий из кожи» в лабораторных курсах по дисциплинам «Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности» и «Конфекционирование изделий из кожи», а также при вы-

полнении курсовых работ по данным дисциплинам и по дисциплине «Исследовательская работа на стыке фундаментальных дисциплин».

Автор защищает.

1. Концепцию комплексного исследования стационарных и нестационарных процессов теплообмена в системе «стопа-обувь-окружающая среда».

2. Геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов.

3. Структурную схему исследования зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур для системы «стопа - обувь - окружающая среда».

4. Программное обеспечение по обоснованному выбору пакетов материалов для обеспечения комфортного пребывания человека в течение всего периода эксплуатации в различных климатических зонах и использования в качестве адекватного