Привет студент

Воздействие пыли

Количество пыли, поступающей в атмосферу Земли в результате функционирования автотранспорта, достигает 17 % общего выброса в 20 млн тонн в год от различных антропогенных источников.

Пыль характеризуется ее дисперсностью, т. е. размером содержащихся в ней твердых частиц. Существуют различные подходы к подразделению пыли по степени ее дисперсности. Так, например, в одних случаях принято считать, что крупнодисперсной является пыль с размерами частиц выше 10 мкм, среднедисперсной — от 10 до 0, 25 мкм, мелкодисперсной — менее 0, 25 мкм. Однако такой подход недостаточно объективен, поскольку в воздухе, как правило, содержатся частицы пыли различного размера, в связи с чем оценить однозначно дисперсность пыли весьма затруднительно.

Результаты определения дисперсного состава пыли принято представлять в виде зависимости массовых фракций частиц от их размеров. При этом под фракцией понимают массовые доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц, распределение которых по этому параметру может быть различным. Поэтому условно принимают такое понятие, как медианный размер частиц d₅₀, при котором доли частиц размером больше или меньше d₅₀ равны. В связи с таким подходом пыль по дисперсности делится на пять групп:

• I — очень крупнодисперсная пыль, d₅₀ > 140 мкм;

• II — крупнодисперсная пыль, d₅₀ = 40... 140 мкм;

• III — среднедисперсная пыль, d₅₀ - 10... 40 мкм;

• IV — мелкодисперсная пыль, d₅₀ = 1... 10 мкм;

• V — очень мелкодисперсная пыль, d₅₀ < 1 мкм.

Скорость осаждения взвешенных в воздухе частиц пыли зависит от их размера, а степень его запыленности обусловлена следующими факторами:

• временем года;

• типом покрытия дороги и видом почвы;

• направлением ветра;

• интенсивностью движения транспорта;

• грузоподъемностью машины и типом шин.

Основной частью почвенной пыли являются различные неорганические соединения, и в ряде случаев в ней присутствует кварц (диоксид кремния SiO₂). В уличной пыли населенных пунктов имеются также примеси кальция, кадмия, свинца, хрома, цинка, меди и железа, что обусловливается функционированием автотранспортных средств, а также является результатом обработки магистралей составами против обледенения. Выбросы пыли с примесями вольфрама и молибдена увеличивают шипованные шины. Износ дорожного полотна при использовании таких шин составляет 2... 4 мм за зимний период.

Воздействие пыли увеличивает скорость изнашивания механизмов машин. Так, 50 % отказов ДВС происходит по причине загрязнения топлива частицами неорганической пыли, содержание которой за сезон эксплуатации может достигать 200... 300 г на тонну топлива. В первую очередь износу подвержена цилиндропоршневая группа ДВС. Попадая в систему смазки, пыль ускоряет износ подшипников, зубчатых зацеплений, шарнирных и других механизмов, причем особенно вредна в этом отношении пыль, содержащая кварц, обладающий ярко выраженными абразивными свойствами. Оседая же на обмотках и поверхностях электрогенераторов и стартеров, пыль ухудшает теплоотдачу, что снижает их срок службы.

Вредное воздействие пыли на организм человека зависит от ее дисперсности, формы пылинок и их твердости. Крупные частицы способствуют развитию конъюнктивита и могут травмировать роговую оболочку глаза. Мелкодисперсная пыль наиболее опасна, поскольку проникает в легкие и бронхи, что при длительном воздействии может привести к возникновению профессиональных заболеваний. В этом отношении весьма вредной является пыль, содержащая кварц, поскольку она может вызвать заболевание силйкозом. Поскольку это связано с количеством кварца в пыли, то существуют определенные нормативы содержания такой пыли в воздухе. Например, на рабочем месте водителей тяжелых машин регламентируется концентрация пыли в зависимости от содержания SiO₂. Она должна составлять 10 мг/м³ при содержании SiO₂ до 2 %, 4 мг/м³ — свыше 2 до 10%, 2 мг/м³ — свыше 10 до 70 % и 1 мг/м³ — свыше 70 %.

Необходимо отметить, что в городских условиях с повышенным запылением в атмосфере в первую очередь страдают дети. Так, адаптация организма подростков в возрасте 7... 15 лет к таким условиям приводит к увеличению размеров грудной клетки, высоким показателям жизненного объема легких, учащению дыхания.

Шумовое воздействие

Понятия «шум» и «звук» неотделимы, поскольку их природа одна и та же. Звук как физическое явление представляет собой волновое колебание упругой среды. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется звуковой волной, а область среды, где происходит это распространение, — звуковым полем. Как физиологическое явление звук определяется ощущением органа слуха при воздействии на него звуковых волн.

Воздействие шума, в частности на человека, неоднозначно и отличается степенью восприятия. Объективными показателями шумового воздействия являются интенсивность, высота звуков и продолжительность воздействия, поскольку шум, т. е. нежелательные для человека звуки, создают акустический дискомфорт.

Интенсивность звука характеризует величина звукового давления, которое оказывают звуковые волны на барабанную перепонку уха человека, она измеряется в дБ (или дБА). Отметим, что шум с интенсивностью 1 дБ (дБА) представляет собой десятую долю бела, являющегося десятичным логарифмом отношения двух одноименных физических величин.

Высота звука определяется частотой колебаний среды и измеряется в герцах (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Санитарные нормы подразделяют шум на три класса и устанавливают для каждого из них допустимый уровень:

• 1-й класс — низкочастотные шумы (наибольшие составляющие в спектре расположены ниже частоты 350 Гц, выше которой уровни понижаются) с допустимым уровнем

90... 100 дБА;

• 2-й класс — среднечастотные шумы (наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 800 Гц, выше которой уровни понижаются) с допустимым уровнем 85... 90 дБА;

• 3-й класс — высокочастотные шумы (наибольшие уровни в спектре расположены выше частоты 800 Гц) с допустимым уровнем 75... 85 дБА.

Говоря конкретнее, шум называют низкочастотным с частотой колебаний не более 400 Гц, среднечастотным — 400... 1000 Гц, высокочастотным — более 1000 Гц. При этом по ширине спектра шум классифицируют как широкополосный, включающий почти все частоты звукового давления (уровень измеряется в дБА), и узкополосный (уровень измеряется в дБ).

Воздействие шума на человека может быть подразделено в зависимости от интенсивности и спектра на следующие основные группы:

• очень сильный шум с уровнями 120... 140 дБ и выше независимо от спектра способен вызывать механические повреждения органов слуха и быть причиной тяжелых поражений организма;

• сильный шум с уровнями 100... 120 дБ на низких частотах, выше 90 дБ на средних и выше 75... 85 дБ на высоких частотах вызывает необратимые изменения в органах слуха, а при длительном воздействии может быть причиной ряда заболеваний, и в первую очередь нервной системы;

• шум более низких уровней 60... 75 дБ на средних и высоких частотах оказывает вредное действие на нервную систему человека, занятого работой, требующей сосредоточенного внимания, к которой, в частности, относится работа оператора самоходных машин.

Хотя частота акустических звуковых колебаний находится в пределах 20... 20 000 Гц, нормирование шума в дБ осуществляется в октавных полосах с частотой 63... 8000 Гц постоянного шума. Характеристикой же непостоянного и широкополосного шума является эквивалентный по энергии и восприятию ухом человека уровень звука в дБА.

Отметим, что уровень шума, дБ, зависит от расстояния до его источника:

L_и = -201g г - 8,

где L_и — уровень шума источника, дБ; r — расстояние от источника шума до объекта его восприятия, м.

В автомобиле различают внешний и внутренний шумы. Внешний шум оказывает воздействие на окружающих, а внутренний шум — на водителя и пассажиров. Значение показателей шума для транспортных средств нормируется ГОСТ и международными стандартами. Нормативы для легковых автомобилей по Евростандарту по внешнему шуму не должны превышать 74 дБА. ГОСТ Р 51616—2000 ограничивает внутренний и внешний шумы величиной не более 77 дБА. До принятия этого норматива действовал ГОСТ 27435 1986 г., где уровень шума не должен был превышать 78 дБА. За рубежом нормативы пересматриваются каждые два года, причем требования к снижению шума довольно жесткие — снижение должно быть на 2—3 дБА. Снижение шума на 3 дБА субъективно воспринимается человеком как снижение звукового давления примерно в 2 раза.

Например, согласно нормативам, внешний шум машины, служащий одним из показателей ее экологичности, не должен превышать установленной величины на расстоянии 7, 5 м от ее оси перпендикулярно направлению движения.

Таблица 2. Допустимые уровни внешнего шум а для тяжелых самоходных машин

Особое значение имеет частотная характеристика шума, которая также является важной составляющей акустического комфорта в салоне автомобиля и его экологичности. Может быть так, что автомобиль соответствует самым жестким стандартам по общему уровню шума, но его частотная характеристика шума будет такова, что на всех или некоторых режимах движения можно услышать неприятные звуки высокой или низкой тональности (скрипы, визг, рычание и т. д. ). В качестве примера можно привести семейство ВАЗ-2109 — изначально тихий автомобиль досаждает низкочастотным шумом (рычание) на низких оборотах (1, 5—2, 0 тыс. об/мин).

Шумовое воздействие автотранспортных средств в составе транспортных потоков отличается от влияния на окружающую среду одиночной машины, поскольку здесь имеет место сложение шумов. Однако уровни шума, выраженные в децибелах, складывать арифметически нельзя, и здесь общий уровень шума определяется по закону энергетического суммирования. Так, например, суммарный уровень шума, дБ (дБА), от нескольких одинаковых источников находится по формуле

L_∑ = L₁ + 101gn,

где L₁ — уровень шума одного источника; n — число источников, шт.

При одновременном действии двух источников с разным уровнем шума суммарный его уровень, дБ (дБА), составит

L_∑ = L_a + ∆L,

где L_a — наибольший из двух суммируемых уровней шума; ∆L — добавка, зависящая от разности уровней шума источников:

Как следует из приведенного, если уровень шума одного источника выше уровня другого на 8... 10 дБ (дБА), то будет преобладать шум более интенсивного источника, т. е. добавка к суммарному уровню шума пренебрежимо мала.

Источниками звуков и шумов являются колеблющиеся твердые, жидкие и газообразные тела. Колебания (вибрации) механизмов и машин возникают под действием периодических или случайных возмущающих сил. Периодические вибрации возникают, когда объект содержит вращающиеся или возвратно-поступательно движущиеся части. В двигателе внутреннего сгорания такими частями являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, топливоподающая аппаратура и др. Вибрации двигателя внутреннего сгорания возбуждают колебания всего автомобиля, который содержит и другие возбудители периодических колебаний, в частности элементы трансмиссии.

Существенный вклад в шумовое воздействие автомобиля вносят системы впуска и выпуска, система охлаждения ДВС и работа вентиляторов, компрессоров, электрических генераторов. Система впуска излучает акустическую энергию в диапазоне частот 50... 800 Гц с уровнем до 108... 110 дБА. В случае применения турбонаддува его аэродинамический шум (до 135 дБА) может значительно превышать шум других агрегатов ДВС.

Характер вибраций и шума трансмиссии машины определяется ее конструктивными особенностями, частотой вращения и нагрузкой валов и зубчатых зацеплений, наличием и параметрами изгибных и крутильных колебаний, величинами остаточных дисбалансов. Уровни шума трансмиссий оцениваются в 75... 80 дБА и располагаются в диапазоне частот 400... 5000 Гц. Однако на мощных машинах средний уровень звуковой энергии, излучаемой коробкой передач, может достигать 103... 106 дБА, что обусловлено взаимодействием шестерен друг с другом, и здесь необходимо иметь в виду следующее. Речь идет в основном о зубьях с эволь-вентным профилем, который теоретически при контакте шестерен должен обеспечить безударное и без скольжения обкатывание одного зуба по поверхности смежного. Для обеспечения крутящего момента и необходимой прочности зуба выбирают его модуль и ширину. При этом предполагается, что контакт происходит по всей ширине зуба, и теоретически «пятно контакта» должно занимать всю ширину зуба при его соответствующей высоте. Только при выполнении этого условия может быть обеспечен расчетный коэффициент полезного действия передачи.

В реальных условиях при изготовлении самих шестерен, валов для их крепления, стаканов и расточек для подшипников, а также корпусов передач невозможно обеспечить идеальную точность размеров этих элементов, поскольку имеется определенное технологическое поле допусков. Это обстоятельство приводит к следующему. Реальное межцентровое расстояние делительных окружностей смежных шестерен получается больше номинального в пределах допуска.

Вследствие этого идеальное зацепление шестерен не обеспечивается, и возникает сначала удар при вхождении зубьев в контакт (сопровождается стуком), а затем происходит проскальзывание одного зуба по поверхности зуба смежной шестерни. Поскольку чистота обработки поверхности зубьев не идеальна, это сопровождается скрежетом.

Указанное явление усугубляется еще и тем, что при изготовлении самих шестерен существуют допуски на биение делительной окружности относительно оси вращения, на колебание толщины зуба, на колебание длины общей нормали шестерни, на размеры гладких и шлицевых посадочных отверстий шестерен и др. Если же учесть, что при расточке отверстий для установки подшипников или стаканов под подшипники может нарушиться параллельность валов шестерен, то из-за возникших перекосов валов «пятно контакта» на зубьях шестерен искажается, уменьшаясь по площади и смещаясь по поверхности зубьев. Это приводит к увеличению контактных напряжений на поверхности зубьев, вследствие чего шум усиливается.

Отмеченное явление еще больше проявляет себя, если стенки корпуса передачи выполнены недостаточно жесткими и при работе под нагрузкой он деформируется. В результате искажений в зацеплении зачастую возникает пульсирующее схождение и расхождение смежных зубьев за один оборот шестерен, что служит причиной «завывания» передачи в процессе ее работы под нагрузкой.

Еще одним источником внешнего шума автомобиля является качение шин, значимость которого проявляется при скоростях движения выше 70 км/ч. Основное влияние здесь на формирование шума оказывают:

• конструктивные параметры шин, их материал и рисунок протектора;

• скорость движения машины;

• нагрузка на шину;

• состояние протектора (новый, изношенный, восстановленный);

• давление воздуха в шине;

• состояние и профиль дорожного полотна.

Шум, который производят шины при свободном движении машины по асфальтированному шоссе, составляет 62... 80 дБА при скоростях от 50 до 110 км/ч, а основные составляющие спектра находятся в диапазоне частот 100... 1500 Гц.

Значительное физиологическое воздействие на организм человека оказывают неслышимые инфразвуки (с частотой до 20 Гц), особенно имеющие большие амплитуды колебаний. Инфразвук возникает при работе дизельных ДВС, компрессоров и вентиляторов. При скорости движения автомобиля более 70 км/ч инфразвуки возникают в результате удара воздуха о выступающие части, например открытую форточку окна кабины, и это явление называют ветровым флаттером.

Особенностью действия инфразвука является высокая специфическая чувствительность органа слуха к низкочастотным колебаниям. Инфразвук с частотой 7 Гц совпадает с α-ритмом биотоков мозга, и поэтому эта частота наиболее опасна. Кроме того, инфразвуки воспринимаются поверхностью тела человека. Поскольку длина волн инфразвуков весьма значительна, то изменение их интенсивности при увеличении расстояния от источника возникновения несущественно, так как поглощение в нижних слоях атмосферы инфразвуковых колебаний, например с частотой ниже 11 Гц, не превышает величины 8 • 10^-6 дБ/км.

Выделяют пороги инфразвукового действия:

• порог опасности смерти оценивается инфразвуком с амплитудой интенсивности 180... 190 дБ, который приводит к смерти даже при кратковременном воздействии;

• порог потенциальной опасности для жизни человека представляют инфразвуки интенсивностью 155... 180 дБ, приводящие к психофизиологическим отклонениям, которые практически неизлечимы;

• порог переносимости инфразвука находится на уровне

140... 155 дБ, но при длительном действии такого инфразвука в организме развиваются психофизиологические отклонения от нормы, которые носят устойчивый характер;

• порог безопасности достигается на уровне инфразвука 90 дБ.

Нормируемыми параметрами инфразвука в окружающей среде являются уровни звукового давления, значения которых в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31, 5 Гц не должны превышать указанной величины 90 дБ.

Что же касается продолжительности шумового воздействия, то с длительным действием шума связаны рост нервных, сердеч-но-сосудистых заболеваний, язвенной болезни, развитие тугоухости, переутомление и истощение клеток коры головного мозга, нарушение координации движений, ухудшение работоспособности карбюраторного двигателя 11, 9... 16, 8 МДж/(кВт - ч) и для дизелей 8, 7... 11, 9 МДж/(кВт • ч). Если учесть, что общая мощность работающих в настоящее время ДВС более чем в 5 раз превышает мощность всех электростанций страны, можно оценить, какое количество теплоты поступает в окружающую среду. Это, наряду с тепловыми выбросами других источников, способствует образованию над населенными пунктами «островов тепла», где температура воздуха в ночное время может на 10 °С превышать температуру в ближайших пригородах.

Тепловые выбросы ДВС машины влияют на теплонапряжен-ность кабины водителя и микроклимат в ней. Дело в том, что при наличии ДВС с жидкостным охлаждением поток горячего воздуха от радиатора направлен, как правило, вдоль машины в сторону кабины. В результате средняя температура стенки кабины со стороны мотоотсека может превышать температуру наружного воздуха на 25 °С, а у переднего стекла — на 13... 16 °С. Указанное обстоятельство обусловливает дополнительную нагрузку на систему нормализации микроклимата в кабине, вследствие чего холодопроизводительность здесь должна быть соответственно увеличена.

Поскольку в теплый период года для нормализации микроклимата в кабинах машин широко применяются зарубежные хладоновые (фреоновые) кондиционеры, привод которых осуществляется от ДВС объекта его использования, то это связано с затратами дополнительной мощности, а следовательно, и с дополнительным расходом горючего, что увеличивает выбросы вредных веществ с ОГ.

Потребляемая механическая мощность N₀ на привод кондиционера зависит от его холодопроизводительности Q₀. Оценка уровня совершенства кондиционера по отношению к потребляемой им мощности производится с помощью холодильного коэффициента:

η₀ = Q₀ / N₀

Величина холодильного коэффициента η₀ у кондиционеров мобильных машин составляет 0, 9... 1, 4 при продувке конденсатора наружным воздухом в случае его монтажа перед радиатором охлаждения ДВС. Более высокое значение η₀ характерно для режима работы кондиционера и машины в целом, когда осуществляется достаточно интенсивный отвод теплоты от конденсатора, что имеет место, например, при движении автомобиля по загородной автотрассе с относительно большой скоростью, когда набегающий поток воздуха хорошо продувает и конденсатор, и радиатор системы охлаждения ДВС. Отметим, что в этих условиях при свободной автомагистрали температура воздуха не подвержена аномалии из-за теплового воздействия ДВС машины.

Иная ситуация складывается при движении машины в городских транспортных потоках. Здесь из-за возросшей температуры окружающего машину воздуха (тепловое воздействие множества машин) и в связи с ухудшением режима обдува конденсатора кондиционера эффективность его работы падает, что и обусловливает снижение величины η₀ до минимума, а следовательно, вызывает дополнительный расход энергии на функционирование кондиционера даже без учета необходимости некоторого увеличения его холодопроизводительности из-за возросшей тепловой нагрузки при изменении внешней температуры. В определенной мере этот нюанс можно оценить следующим образом.

Холодопроизводительность кондиционера машины, наряду с окружающей температурой и требуемой температурой воздуха на рабочем месте водителя, зависит от объема кабины. Естественно, чем кабина больше, тем значительнее теплопритоки в нее, что и обусловливает возрастание холодопроизводительности кондиционера. Поскольку такие машины, как грузовые автомобили различной грузоподъемности, тракторы, строительно-дорожные машины и др., имеют различный объем кабин (от 1, 5 до 4 м³), то в нашей стране создан типаж кондиционеров холодопроизводи-тельностыо от 2, 3 до 7, 3 кВт с учетом специфики эксплуатации этих объектов.

На примере большегрузного автомобиля с объемом кабины 4 м³ при условно постоянной холодопроизводительности кондиционера Q₀ = 7, 3 кВт оценим изменение энергозатрат на его привод по преобразованному выражению:

N₀ = Q₀/ η_о.

При η₀ = 1, 4 получим, что N₀ = 5, 2 кВт, а при η₀ = 0, 9 величина N₀ уже составит 8, 1 кВт, следовательно, энергозатраты на привод кондиционера возрастут по крайней мере на 2, 9 кВт, что существенно скажется на увеличении вредных выбросов в ОГ ДВС машины. Таким образом, у машин с кондиционером воздействие тепловых выбросов ДВС влияет на выбросы ОГ негативно.