Расчёт и снижение шума качения поездов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Матвеев Пётр Владимирович РАСЧЁТ И СНИЖЕНИЕ ШУМА КАЧЕНИЯ ПОЕЗДОВ 01.04.06-Акустика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

15 ЯШ 2015

Санкт-Петербург

00555731а гомг.

005557313

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Балтийского государственного технического университета

«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова Куклин Денис Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Заведующий кафедрой «Основы проектирования машин»

Ростовского государственного,

университета путей сообщения Чукарин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой «Химическая технология и промышленная экология» Самарского государственного

технического университета Васильев Андрей Витальевич

Ведущая организация - ОАО «Ленгипрогранс», Санкт-Петербург.

Защита состоится 12.02.2015 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д.212.010.01 в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., 1,ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова и на сайте http://voenmeh.ru/

Автореферат разослан «20» декабря 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наряду с более высокой безопасностью, железнодорожный транспорт имеег очевидные преимущества перед другими видами с точки зрения воздействия на окружающую среду (ОС):

- высокая эффективность использования энергоресурсов;

- меньшая потребность в занимаемых площадях

- меньший объем выбросов вредных веществ.

Тем не менее, железнодорожное сообщение заметно увеличивает акусшчзское загрязнение ОС и нередко вредно воздействует на население. По данным комиссии ЕС по железнодорожному транспорту примерно 10% населения ЕС подвержено вредному воздействию шума от железнодорожного транспорта, которое является угрозой здоровью (риск сердечно-сосудистых заболеваний, снижение работоспособности, нервно-психические заболевания и пр.), а также причиной беспокойства и дискомфорта.

В нашей стране железнодорожный транспорт все чаще становится причиной жалоб населения на повышенный шум. Сегодня повышенный шум ачодит в «тройку» наиболее вредных экологических факторов. Особенно зама! на эта проблема в городах. В Постановлении Правительства Москвы от 16 октября 2007 г. №896-ПП «О концепции снижения уровней шума и вибрации в городе Москве», отмечается, что «...в настоящее время почти на всем протяжении железнодорожных линий нарушена 100-метровая ширина зоны санитарного разрыва Проезд железнодорожного состава обуславливает возрастание уровня шума в среднем на 10-20 дБ А над фоновыми значениями шума на прилегающей жилой территории, что вызывает большое количество обращений жителей с жалобами на повышенный шум. Российские поезда в среднем на 7-10 дБА более шумные, чем европейские модели».

Анализируя результаты измерений шума вблизи железных дорог можно утверждать, что при расположении в жилой застройке на расстояниях 50... 100 м от железнодорожного пути уровни звука в квартирах могут достигать 60...70 дБ А. Это означает, что превышение шума составляют от 20 до 30 дБА в дневное время и. соответственно от 30 до 40 дБА ночью. Уровни звука снижаются до санитарных норм на расстояниях свыше 1000 м. По экспертным оценкам в нашей стране под воздействием повышенного шума железнодорожного транспорта проживают от 5 до 10 млн. человек.

Основная причина шума при движении поездов - явления, возникающие при взаимодействии колеса с рельсом. При контакте колеса с рельсом неровности поверхностей катания вызывают возникновение вибраций этих элементов и подвижного состава. Вибрирующие поверхности излучают звук, который называется шумом качения. За рубежом шум качения изучали П. Ремингтон, Д. Томпсон, Г. Хёльц, Ф. Мурава, X. Ван Леевин,

П. Гаутиер, А. Штуке, Дж. Кордиер и др. II. Ремингтоном была создана теория, усовершенствованная Д. Томпсоном, описывающая физические процессы шумообразования при кошакге колеса с рельсом.

Проблемы шумообразования и методы борьбы с шумом подвижного состава в нашей стране изучали А.Н. Чукарин, Д.А. Куклин, А.И. Аристов, М.В. Тишкина, ИЛ. Шубин, И.Е. Цукерников, А.Ю. Олейников, М.В. Буторина и др. В то же время вопросы образования шума качения требуют специального рассмотрения с учётом специфики отечественного верхнего строения пути и подвижного состава.

Целью работы является разработка научных основ образования, расчёта и снижения шума качения поездов.

Научная новизна:

- разработана классификация средств и методов снижения шума качения поездов;

- разработана физико-математическая модель шума качения, показывающая связь процессов шумообразования с характером вибрационных процессов

- установлена зависимость шума качения от скорости движения и типов поездов;

-предложена модель расчёта и разработан метод расчета акустической эффективности

средств ближней звукоизоляции;

Достоверность разработанных решений Достоверность принятых допущений и теоретических моделей подтверждена серией экспериментов, выполненных на реальных железнодорожных путях и поездах. Корректность экспериментальных результатов подтверждается использованием прецизионной акустической аппаратуры, а также современных методик аку стических испытаний и обработки информации.

Практическая полезность:

- установлены предельные возможности снижения шума качения в источнике образования для отечественного подвижного состава (путем шлифования рельсов и применения вибродемпфирующих накладок на шейку рельса);

-доказана эффективность снижения шума качения путем применения ближней звукоизоляции;

- разработаны рекомендации по снижению шума качения;

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» 16-18 июня, 1999; Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» 14-16 июня, 2000; IV Всероссийской научно практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» 26-28 марта, 2013; Технических совещаниях на Октябрьской железной дороге - филиал ОАО «РЖД» в 2012, 2013, 2014; заседаниях кафедры «Экология и БЖД» БГГУ «ВОЕНМЕХ» в 2012, 2013, 2014 г.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, 2 работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных работах составляет от 40 до 70%. В изданиях по списку ВАК опубликовано 4 работы.

На защиту выносятся:

- классификация средств и методов снижения шума качения поездов;

- физическая модель шума качения, уточняющая теорию Ремингтона (P.J. Remington) в части излучения рельса;

- математическая модель шума качения;

- результаты численного эксперимента методом конечных элементов с использованием

программы «ANSIS»;

- методика выполнения экспериментов по исследованию шума качения;

- методики выполнения экспериментов по исследованию средств и методов снижения шума качения в источнике образования и средств ближней звукоизоляции;

- результаты экспериментов, подтверждающих правильность основных допущений;

-результаты экспериментов по установлению связи между скоростью движения

различных типов поездов и интенсивностью шума качения;

- результаты экспериментов по снижению шума качения в источнике образования путем применения вибродемпфирующих накладок на рельс и шлифования рельсов;

- результаты экспериментов по определению эффективности средств ближней звукоизоляции;

- рекомендации по снижению шума качения.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы при разработке ГОСТ Р 54933-2012 «Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом», Результаты исследований по снижению шума качения использованы Окгябрьской железной дорогой при разработке мероприятий по шумозащите на станции Саблино Московского хода, на станции Дибуны Финлядского хода. Методы расчёта использованы Институтом «Трансэкопроект» при снижении шума в жилой застройке.

Структур3 и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 157 наименований и трёх приложений. Диссертация содержит 130 стр. основного текста, 43 стр. приложений, 40 рис., 40 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализировано состояние вопроса. Показано воздействие шума поездов на население, проанализированы нормы шума железнодорожного транспорта, обобщены результаты исследований образования процессов шума качения, обоснованы основные направления исследований, предложена классификация средств защиты от шума железнодорожного транспорта. Исследования шума качения и методов снижения шума в

источнике образования были обобщены для следующих категорий поездов:

- грузовые поезда (скорость до 90 км/ч);

- пассажирские поезда (до 160 км/ч);

- моторвагонные поезда (электропоезда) (до 160 км/ч);

- скоростные поезда (до 250 км/ч).

В результате анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи исследования:

- уточнить физическую и математическую модели шума качения;

- выполнить численный эксперимент по образованию шума качения;

- проанализировать теоретические возможности шумоглушения;

- разработать методику экспериментальных исследований процесса шумообразования;

- разработать методики экспериментальных исследований средств и методов снижения шума качения поездов;

- исследовать процессы образования шума качения, установить основные зависимости для всех типов поездов;

- исследовать акустическую эффективность накладок на рельс для снижения шума качения;

- исследовать эффективность применения шлифования для снижения шума качения;

- определить акустическую эффективность средств ближней звукоизоляции;

- разработать рекомендации по снижению шума качения.

Во второй главе дано решение задачи анализа шума качения аналитическими и численными методами. В основу вычислений была положена уточнённая модель Ремингтона-Томпсона, в которой помимо вибрации, вызываемой взаимодействием неровностей колеса и рельса и возникающего излучения звука, учтены процессы, излучения звука, возникающие за счёт вибрации от упругой деформации колеса и рельса от силового взаимодействия (рис. 1).

В физико-математической модели излучения рельса от прогиба рельса он представлен как волновод, в виде полузамкнутой оболочки бесконечной длины с поправкой для инженерных расчётов. Используется принцип расчёта, предложенный Л.II. Чукариным, С.Ф. Подустом, Д.А. Куклиным с внесенными автором поправками. Для инженерных расчётов шумообразования следует рассматривать конечный участок пути. Согласно экспериментальным данным, излучающий участок рельса составляет 1,1... 1,2 длины состава.

В качестве звукового давления излучаемого изшбными колебаниями рельса, применяем формулу для высокочастотных колебаний протяжённого источника, приведённую к виду:

Р(1рт, Ф) = ¿4гг ■ Ю2, Па (1)

Вибрация

колеса

Звуко-излучение колеса

й- Шум качения

Звуко- излучение шпал_

Рис. 1. Уточнённая модель взаимодействия «колесо-рельс»

где уг -- скорость колебаний рельса, м/с; ко - волновое число - —, с - скорость звука, м/с; /рт - расстояние от рельса до расчётной точки, м; /гр - высота рельса, м; Н1' - производная функции Ганкеля. (Для анализа протяжённых излучающих систем удобнее брать решения в функциях Ганкеля, а не в функциях Бесселя и Неймана).

Представим производную функции Ганкеля для асимптотического приближения в случае ¿о > 1 с помощью известного выражения:

(2)

Поскольку колеблется рельс (твердое тело), то тц - разделительная постоянная, будет равна т{1 = 1, тогда звуковое давление, излучаемое рельсом:

рр = 4уг !!1еК<Р+ко1р,-коЬр). ю2, Па

(3)

В области средних частот выполняется соотношение ¿0Ар < 1. Для такого соотношения применяется модифицированная функция Ганкеля, имеющая вид:

V 2

Н

(4)

Тогда звуковое давления, создаваемое рельсом в среднечастотном диапазоне будет определяться:

р = 4„ . е'^+^'рт-т), Па Р Г 20-^

(5)

Уравнения исследовались численно при помощи пакета программ МаМЬаЬ с модулем 5тиЧпк. Поведение обычных и модифицированных функций Ганкеля известно - независимо от

порядка они обладают симметрией относительно поворотов, при этом первые на больших расстояниях ведут себя как |—-— е'(А:°'1р), вторые как I—— е-'^0'1?), функции Бтср и соз2ф

принимают максимальное значение при <р = р поэтому достаточно рассмотреть точку 7,5 м или 25 м и <р =

В физико-математической модели излучения рельса от ударного воздействия колеса и рельса виброскорость вертикальных колебаний рельса пропорциональна механическим импедансам колеса и рельса в соответствии с формулой

_ гк;ц) м р ~ гк(ы)+2р(ш) ' с ^

Под неровностью рельса понимается значение, полученное путём усреднения неровности профиля рельса, измеренного путеизмерительным вагоном. Под неровностью катания колеса подразумевается отклонение от круглой формы, обусловленное, например, ползуном на поверхности катания. Величины а) и 2р(ш) - являются механическими импедансами в вертикальном направлении в точках контакта колеса и рельса.

Импеданс колеса на частотах до 10 Гц обычно значительно ниже импеданса рельса 7к(го) « 2р(о), соответственно значения виброскорости весьма малы. Формула (6) тогда приобретает приближённый вид:

ВДсо) м

и показывает, что если ZK(^я) принимает большие значения, например, из-за некоторых конструктивных особенностей тележки, тогда и возрастает виброскорость рельса, а следовательно и его вибрация.

Импеданс колеса зависит от частоты колебаний. На низких частотах ограничен жёсткостью рессорного подвешивания. Повышение жёсткости этой системы приводит к увеличению импеданса колеса и усилению вибрации рельса. Импедапсы колеса и рельса сравниваются на частотах около 40 Гц при этом импеданс рельса имеет упругий характер, а импеданс колеса массовый. В виду этого знаменатель в формуле 9 близок к нулю. В этом случае имеем резонанс, при котором неподрессоренная масса вагона (колесная пара, редуктор, электродвигатель) компенсируются жёсткостью рельса. Колебания при этом резко возрастают.

С физической точки зрения при наличии неровностей на колесе или рельсе при повороте колеса происходит удар неровности колеса по рельсу, или наезд колеса на неровность рельса, при этом возникает сжимающая сила Р бесконечно малого элемента рельса, прилегающего непосредственно к точке контакта. Это сжатие передастся следующему элементу и т.д. Скорость распространения деформации сжатия по телу рельса будет соответствовать скорости звука в стали с. Тогда с ? есть длина сжатого участка рельса в момент времени ?. Сталь

подчиняется закону Гука, тогда деформация в точке контакта равна -^Л. Но это же выражение определяет перемещение (деформацию) рельса в точке контакта в рассматриваемый момент времени. Следовательно, скорость колебания рельса определяется выражением:

1>Р=-,- (8) Р £-5 ' с

где5 - площадь контакта, м2. Е- модуль упругости стали, МПа.

Подставляя значение ур из (8) в выражение (5) получим значение звукового давления в рассматриваемой точке.

Из выражения (8) видно, что виброскорость, а значит и звуковое давление после подстановки в (5) будут прямо пропорциональны силе (загрузки вагона) и обратно пропорциональны площади контакта. Соответственно если увеличить площадь контакта, то возможно сократить виброскорость и звуковое давление.

Увеличение площади контакта возможно при уменьшении высоты выступов (неровностей и микронеровностей), как на колесе, так и на рельсе. Уменьшение мнеровностей можно достичь при повышении качества обработки поверхностей кат ания колеса и/или рельса, улучшая макрогеометрию путём стачивания больших неровностей в виде ползунов на колёсах и волнообразного износа на поверхности катания рельсов, так и микрогеометрию, уменьшая шероховатость. Так же необходимо поддерживать правильную форму головки рельса и поверхности катания колеса для увеличения линии контакта.

В численном эксперименте используется расчётная схема (рис.2), на которой приведены основные элементы конструкции, взаимодействие которых между собой и воздушной средой создают звуковые давления в точках 1-6 экспериментально измеренных показателей уровня шума.

м)

рельс \ насыпное осповапне

Рис. 2. Расчетная схема 1. Расположение основных элементов конструкции.

колесная пара

1,85 м

о

Ртах

/ \

/ \

/ \

/ \ ч

Указаны геометрические размеры и расстояния до точек измерения 1-6

Вычисления проводились методом конечных элементов в программном комплексе ^ЯУЗ МиШрЪуБга версии 14.5 на ^ сетках акустических КЭ с линейными функциями формы РЬиЮЗО для воздушного объёма и твердотельными типа 3011045 для элементов конструкции соответственно. О 0,01 0,02 0,03 0,04сек

Расчётный объект имеет сложную геометрическую ^ Характер нагружения

форму, поэтому он разбивался на тетраэдрические и треугольные конечные элементы (рис. 4) (для РШЮ30 - вырожденная форма). Таким образом, был выделен главный параметр -свойства материала и тип элемента, а все второстепенные оставались неизменными, для корректности сопоставления.

Нагрузка, в виде сосредоточенной силы величиной до РШах^ 130000 Н, приложена к колесу радом со ступицей в виде треугольного импульса (рис. 3). Вначале она растёт от нулевого значения до 130000 Н за ?н= 0,01 сек., затем, за такое же время снижаегся до нуля. Тем не менее, процесс деформирования при гаком динамическом нагружении сопровождается последействием. Поэтому в последующее время длительностью I ~ 0,01 сек (до Зг„, см. рис. 3) процесс расчёта продолжается, несмотря на то, что нагрузка не действует. Конструкция после нагружения продолжает совершать свободные колебания вокруг положения статического равновесия.

Промежуток времени равный 0,01 сек. Соответствует времени, за которое колесо на скорости 100 км/час проходит путь ориентировочно равный половине расстояния между двумя шпалами.

>ч 35 гезэ

Рис. 4. Сетка конечных элементов в среднем сечении объёма (через центр колеса).

Размеры конечных

элементов 15... 80 мм

На рис. 5 приведены поверхности равного звукового давления в объёме, Н/м\ Слева от надписей значения переведены в децибелах 8МХ=112,2 дБ; 8МК=106,8 дБ; А= 105,37 дБ; В=101,26; Е=99,4 дБ.

Рис. 5. Поверхности равного звукового давления в объёме, Н/м2 (слева в дБ)

12. 1 НОУ 2« 2Э13 17:11:16 МООАХ. эоьитюы

ЗТ5Е=1

вив

ТХНЕ^.О^

EowerGraphi.cs БеАСЕЧ)**!

тх =.657Е-1)3 506,8 ля =-4. <1 Ш.2 5МХ -8.143 105,5" А =-3.712

»1.24 » 5Г<

« г»

х- . ег.пл ■

59.41 «

Верняя часть колеса -«-Рельс —^'Нижняя часть колеса

Рис. 6 Распределение звукового давления Ьц„, дБ от колеса и рельса по мере удаления от источника

Обобщая результаты численного эксперимента (рис. 6), отметим, что на небольших расстояниях (до 30 см) вклады колеса и рельса в процессы шумообразования примерно одинаковы (рис. 6). в то же время с увеличением расстояния эти вклады начинают различаться. Это объясняется тем, что колесо излучает сферическую звуковую волну (видно на рис. 5), а рельс - цилиндрическую. На расстояниях сьыше 100 м эта разница достигает более 10 дБ. Таким образом, на этих расстояниях рельс - основной источник шума качения и меры по

снижению шума должны быть направлены на устранение неровностей на поверхности рельса, увеличения импеданса рельса, снижение его звукоизлучающей способности.

В третьей главе приведена методика проведения экспериментов. Испытания по исследованию шума качения включала серию экспериментов, содержавших определение вклада источников в процессы шумообразования (расположение измерительных точек показано на рис. 7), а так же выявление зависимостей шума качения от категория поездов и их скоростного режима (измерения на расстоянии 25 м). Общее число испытанных объектов составило более 500.

7,5 м

Рис. 7. Схема расположения измерительных точек (микрофонов и вибродатчика):

1 - микрофон № 1 - пантограф - контактный провод, расстояние от оси пути 3,7 м, высота 6.5 м от уровня головки рельса;

2 - микрофон № 2 - межвагонная сцепка, расстояние от оси пути 3,7 м, высота I м от уровня головки рельса;

3 - микрофон № 3 - головка рельса - колесо, расстояние от оси пути 3,7 м, высота 0 м от уровня головки рельса;

4 - микрофон № 4 - внешнее поле, расстояние ближайшего рельса 7,5 м, высота 1,5 м от уровня головки рельса

5 - вибродатчик на рельсе

Для определения эффективности мер снижения шума качения в источнике проводились эксперименты по шлифованию рельсов и использованию накладок на шейку рельса.

Проводились измерения шума и вибрации по схеме, показанной на рис. 8, до проведения шлифования и после. Общее число испытанных поездов около ста.

Микрофоны на расстоянии 1 м от рельса были установлены на высоте головки рельса (рис. 8). Микрофоны на расстоянии 25 м от оси пути были установлены на высоте 1,5 м от уровня земли.

Микрофоны

ип'лчиц** гиг и'

Рис. 8. Схема расположения микрофонов и датчика при шлифовании рельсов

Схема измерений акустической эффективности накладок приведена на рис. 9. Накладки на рельс изготавливаются из тяжёлой резины, длина участка, оснащённого накладками составляла 110 м.

Для снижения шума на пути распространения использовалось ближнее средство звукоизоляции в виде малого акустического экрана, расположенного максимально близко к головке рельса. Экран испытывался по стандартной методике на опытном участке финских железных дорог вблизи г. Тиккурила. Длина экрана около 60 м, высота 0,85 м.

Микрофоны в дальнем поле

Микрофоны установленные в ближнем поле

Ближнее средство звукоизоляции представляет собой оригинальную

конструкцию, собранную из стандартных алюминиевых замкнутых профилей

прямоугольного сечения. Сторона экрана, обращенная к источнику шума (к путям) имеет звукопоглощающий слой из минеральной ваты, прикрыта перфорированным алюминиевым листом с высокой степенью перфорации для защиты звукопоглощающего слоя от механических воздействий и стабилизации формы. Наружная сторона, обращенная к защищаемому объекту, оборудована стальной оцинкованной решёткой.

Участок с накладками

Рис. 9 Схема расположения микрофонов при измерении эффективности вибродемпфирующих накладок на шейку рельса

Измерялся внешний шум подвижного состава во время движения с типовой скоростью для участка каждого типа подвижного состава.

На данном участке поезда двигаются со скоростями свыше 100 км/ч. Измерения проводились для следующих типов подвижного состава:

- грузовые поезда;

- электропоезда моторвагонные;

- поезда с локомотивом и прицепными вагонами.

В четвёртой главе даны результаты экспериментальных исследований процессов шумообразования и эффективности средств снижения шума в источнике образования.

Проанализирован характер шума для различных типов подвижного состава, процессы шумообразования и 1пума качения, проведены исследования вкладов различных источников шума поездов на различных скоростях движения. Полученные результаты показаны на примере электропоездов.

На рис.10 и 11 приведены уровни звукового давления в третьокгавных полосах частот и уровни виброскорости, полученные при прохождении электропоезда на скорости 65 км/ч.

УЗД.ДБ

Г— ' (Л1КРС4ЮН 2 3 ^^тдшрофон 41 Г.Гц

Рис. 10. Уровни звукового даатения при прохождении электропоезда на скорости 65 км/ч (места расположение микрофонов указаны в рис. 7)

В полученных спектрах имеется ряд характерных особенностей. Основные составляющие находятся в диапазоне частот 500-4000 Гц (рис. 10). Во всех спектрах прослеживается наличие максимальных УЗД на частоте 800 Гц (1000 Гц). Сравнение спектров воздушного шума в указанном диапазоне частот (рис 10) со спектром вибрации рельса (рис. 11) показывает, что эти спектры по своему характеру идентичны. Это позволяет утверждать, что процессы шумообразования от подвижного состава полностью определяются взаимодействием пары «колесо-рельс».

Идентичность спектров воздушного шума в указанном диапазоне частот, измеренная в различных точках (микрофоны 1-3). подтверждает вышесказанное, так как вклады (исходя из сравнительного анализа спектров) шума сцепки и пантографа не прослеживаются. Аналогичные результаты были получены и для всех других категорий поездов.

ДБ

120 -110 10090 -80 -70 60 50 40

Рис.

Была установлена связь между скоростью движения и шумом качения для различных категорий поездов. Результаты экспериментальных исследований могут быть представлены в виде полученной эмпирической зависимости уровней звука поездов от скоростного режима в виде:

поезда = к+ а , дБА (12)

где К- числовая добавка, а - числовой коэффициент, V - скорость поезда, км/ч, - 1 км/ч Данные для исследуемых поездов приведены в табл. 4

Таблица 4 Экспериментальные значения добавок и коэффициентов

№ п/н Категория поезда Значение К Значение а

1 11ассажирскио поезда 33,3 25.3

2 Грузовые поезда 46 20,4

3 Электропоезда 28 28,9

4 Высокоскоростные поезда -12,3 41,1

В графическом виде зависимость уровня звука для различных категорий поездов от скорости представлена на рис. 12.

Полученные экспериментальные данные были использованы при разработке ГОСТ Р 54933-2012 «Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом».

1 | 1

|

/

/ !

А

V # 0 # # & # ,•»> # # & ^ * * * ь* * # #

Г.ГЦ

11. Уровни виброскорости, дБ, на подошве рельса

£,дБА

2

у i у у * > 3 4

-Л, у •*

У У А X

20 40 £а ва 100 120 140 180 200 120 V,um/4Sc

Рис. 12. Зависимость эквивалентных уровней звука различных категорий поездов от скорости 1 - грузовые; 2 - электропоезда; 3 - пассажирские; 4 - высокоскоростные

Эффективность накладок на шейку рельса. Пример !Л-октавных спекгров шума качения с накладками и без накладок приведены на рис. ¡3, а усреднённые характеристики эффективности даны в табл. 6 и 7

Таблица 6. Среднее значение эффективности накладок

Значения 63

125 250 УЮ 1000 2000 4000 8000

среднегеометрических частот

Эффективность, дБ 5 3 2 3 2 1 1 2

Таблица 7. Значения эффективности накладок для категорий поездов

Кагешрия поезда Усреднённые значения эффективности, дЬ'Л

1 рузовые 1

Пассажирские 1,5...2,5

Электропоезда 1...1.5

Эффективность в нормируемом диапазоне частот составила 1-5 дБ, а по категориям поездов от 1 до 2,5 дБА. Столь незначительный эффект может быть объяснён тем, что испытанные накладки на рельс вьшолняют функцию не столько вибродемпфирования, сколько функцию звукоизоляции. Повышение их эффективности может быть достигнуто повышением их адгезионных свойств.

УЗД, дБ

—•— С НАКЛАДКОЙ ~» БЕЗ НАКЛАДКИ^

Рис. 13. Измерение УЗД при проезде электропоезда при установленной накладке на шейку рельса и без накладки

Шлифование рельсов. Данные измерений шума и вибрации показаны на рис 14-16 (на примере прохождения пассажирского состава). Усредненные данные по категориям поездов и видам подвижного состава представлены в табл. 8

Таблица 8. Снижение шума после шлифования рельсов

Категория поезда и подвижной состав Снижение уровня звука после шлифования, дБА

Грузовые поезда:

- вагоны разного типа 2,8

- контейнеровоз 3,0

цистерны 2,6

- дозаторы 2,7

- полувагоны 3,0

Электровоз 2,9

Пассажирский поезд 3,5

Моторвагонный (электропоезд) 3,0

На рис. 14 показаны результаты измерения шума на расстоянии 1 м и 25 м от путей до и после шлифования из ¡рафика видно, что в ближнем поле по разным колёсам эффективность шлифования составляет от 1 до 6 дБА. А на контрольном расстоянии 25 м - от 1 до 4 дБА

Снижение шума при проведении шлифования составило от 2,5 до 3,5 дБА. Столь невысокие результаты (в зарубежных данных приводится больший эффект) объясняется применяемым методом шлифования. В РФ производится шлифование для поддержания механических свойств рельсов. В ЕС применяют, так называемое акустическое шлифование.

Рис. 14 Изменение уровней звука на расстояниях 1 м и 25 м до шлифования рельсов и после за время прохождения пассажирского поезда

Такое шлифование производится в два приёма последовательно идущими поездами. Первый поезд осуществляет фасонное фрезерование или строгание рельса с формирование правильного профиля, а второй поезд производит сглаживание микронеровностей оставшихся после фрезы. Кроме того, эффект снижения шума от шлифования рельсов очень сильно нивелирует плохое состояние колёсных пар отечественных вагонов. Особенно плохое состояние колёс у вагонов цистерн и полувагонов. Наилучшее состояние поверхностей катания колёс у пассажирских вагонов, поэтому на этих типах вагонов и был получен наилучший эффект.

Таким образом, для достижения большего эффекта снижения шума необходимо не только акустическое шлифование поверхностей рельсов, но и лучший контроль за техническим состоянием колёсных пар (особенно грузовых вагонов).

Рис. 15 Уровни звукового давления на расстояниях 1 м и 25 м до и после, шлифования рельсов

Рис. 16 Значения виброускорения рельса по оси г (вертикально), до шлифования и после шлифования для пассажирского поезда

В пятой главе дано описание методов и средств снижения шума качения поездов Эффективной мерой снижения шума на пути распространения от источника является применение средств ближней звукоизоляции (БСЗ). В качестве такого средства может рассматриваться преграда в виде малого акустического экрана, расположенного вблизи головки рельса в пределах разрешенных габаритов. Расчетная схема такого устройства показана на рис. 17

С \ 4\ <г ,. ,ч- □ 1 1 а 0 0 □ И а

'7/&77/77777/77777////^ -в--

Рис. 17. Расчетная схема ближнего средства звукоизоляции: 1 - источник шума (пара колесо - рельс); 2 - БСЗ; 3 - расчетная точка (РТ); 4 - защищаемый от шума объект; 5 - опорная поверхность между БСЗ и РТ; 6 - опорная поверхность между источником шума и БСЗ

Акустическая эффективность средства ближней звукоизоляции определяется:

.без БСЗ

= (13)

V

¡без бсз _ интенсивность звука в РТ без средства ближней звукоизоляции Вт/м2;

/рТБСЗ - интенсивность звука в РТ с установленным средством ближней звукоизоляции, Вт/м2.

При выводе формулы рассматривалось звуковое поле в полузамкнутом объёме, образованное:

- элементами подвижного состава (тележка, нижняя часть корпуса подвижного состава);

- поверхностью между источником шума и БСЗ;

- свободным проёмом в верхней части объёма;

- ближним средством звукоизоляции;

Основные допущения, принятые при выводе формулы:

- звуковое поле в полузамкнутом объёме принимается квазидиффущым;

- источник шума (ИШ) принят линейным излучателем;

- высота источника шума (/гист) принята равной высоте БСЗ (йэ), т.е. =

- длина ИШ (/ист) принята равной длине БСЗ (/,), т.е. /исг = 1,\

- верхняя кромка БСЗ принята вторичным линейным излучателем звука;

- в связи с малой высотой БСЗ учитываются поглощающие свойства опорной поверхности между БСЗ и расчётной точкой.

Эффективность БСЗ определяется

ДЬЕСЗ = 10+ 10_ ю 18(1 - ао6) - 101в(1 -апов) + 101Ц^--6,дБ

(14)

где Иэ, и высота и длина (протяжённость) БСЗ соответственно, м;

г - расстояние от ИШ до БСЗ, м;

а, - коэффициент звукопоглощения БСЗ;

аи - коэффициент звукопоглощения источника шума (со стороны БСЗ);

<0дифр - коэффициент дифракции БСЗ;

Я - длина звуковой волны, м;

у об - коэффициент, показывающий степень диффузности звукового поля в объеме.

Сравнение расчётов по формуле (14) с результатами эксперимента показывает (рис. 18), что формула несколько хуже работает на низких частотах, но на средних и высоких частотах (500...4000 Гц) отклонение расчётных значений от экспериментальных не превышает 0,5... 1,0 дБ. Формула даёт приемлемую точность при оценке в дБА (условно принимаем значения полученные на 1000 Гц), Акустическая эффективность БСЗ составляет от 6 до 8 дБА в зависимости от расположения поезда (по ближнем},' или дальнему пути).

Выполненные исследования позволили разработать апробированные рекомендации по снижению шума качения поездов. Основные положения этих рекомендаций с эффектом шумоглушения приведены в таблице 9

Рис. 18. Акустическая эффективность БСЗ: 1 —♦----расчёт, 2 —■--эксперимент

Таблица 9. Рекомендации по снижению шума

Мера или конструкция шумоглушения Эффект шумоглушения, дБА

Шлифование рельсов 2-3

Накладки на шейку рельса 1-2

Акустическое шлифование рельсов 6-8

Средства ближней звукоизоляции 6-8

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана классификация методов снижения шума качения. В исто'шике образования шум может быть снижен уменьшением возмущающих сил (шлифование рельсов, обточка бандажей колёс, применение дисковых тормозов) или снижением звукоизлучающей способности рельса и колеса (вибродемпфирование, звукоизоляция шейки рельса, применением прокладок под рельс), на пути распространения снижение шума достигается средствами ближней звукоизоляции.

2. Разработана физико-математическая модель шума качения, показывающая связь процесса шумообразования с характером вибрационных процессов.

3. Путём вьшолнения численного эксперимента установлено, что основными излучающими поверхностями являются крайние участки колеса - в контакте колесо- рельс и верхняя часть колеса. При этом звуковая волна, исходящая от рельса - цилиндрическая, а от верхнего участка колеса - сферическая, поэтому на расстоянии основной вклад в шум качения даёт рельс.

4. Разработана методика проведения экспериментальных исследований процессов образования шума качения, в которой даны условия измерений, расположение измерительных

микрофонов, вибропреобразователей с целью выделения вклада основных источников шума, установления связей между акустическими и вибрационными процессами, связи шума качения со скоростными параметрами и типами поездов. Разработана методика экспериментальных испытаний эффективности шлифования рельсов и применении накладок в шейку рельса, в которой даны условия испытаний, расположение измерительных микрофонов, состав измерительной аппаратуры, а также показаны пределы неопределённости при выборе объектов исследований.

5. Установлено, что для всех типов поездов на всех скоростях движения наибольший вклад в процессы шумообразования даёт пара колесо-рельс, по сравнению со сцепкой, пантографом и другими источниками. Это подтверждается, как сравнительным анализом спектров воздушного шума и звуковой вибрации, так и измерениями звуковых полей испытуемых поездов в пространстве. Установлена связь уровня звука качения поездов со скоростью их движения: при удвоении скорости для грузовых, пассажирских и электропоездов зафиксировано увеличение УЗ приблизительно на 10 дБ А, а для скоростных-на 12 дБА.

При прочих равных условиях самыми малошумными являются скоростные поезда (например, па скорости 100 км/ч УЗ составляет 71 дБА), для пассажирских на такой же скорости - 83 дБА. Электропоезда - 86 дБА, грузовые - 90 дБА. Эксперименты проведены почти на полтысячи поездов. Полученные результаты являются осреднёшшми данными и могут считаться достоверными.

6. Исследования снижения шума накладки в шейку рельса, проведённые на опытном участке показали, что эффективность этого средства в отечественных условиях составляет 23 дБА (в разных частотных диапазонах может составлять от 1 до 5 дБ). Исследования по снижению шума при шлифовании рельса показали величины снижения до 3 дБА (от 1 до 5 дБ в разных частотных диапазонах).

7. Альтернативным способом снижения шума качения является использование средств ближней звукоизоляции (БСЗ). На основании статистической теории акустики с использованием допущения о наличии квазидиффузного звукового поля между ближним средством звукоизоляции и подвижным составом, представлением БСЗ вторичным линейным источником шума предложена формула расчёта акустической эффективности ближних средств звукоизоляции.

8. Акустическая эффективность БСЗ зависит от его положения по отношению к источнику шума, высоты, акустических свойств, а также от акустических свойств отражающих поверхностей и расстояния от малого акустического экрана до расчётной точки. Выполненные акустические испытания опытного БСЗ показали, что акустическая эффективность в зависимости от положепия поезда (ближний ми дальний путь) составляет от 6 до 8 дБА (312 дБ по УЗД в нормируемом диапазоне частот).

9. Разработаны рекомендации по снижению шума качения, включающие применение средств снижения шума в источнике (шлифование рельсов, установку вибродемпфирующнх накладок в шейку рельса) и ближнего средства звукоизоляции.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Матвеев П.В. Концепция оптимизации акустического климата транспортных средств /П.В. Матвеев // Труды IV Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», СПб, 16-18 июня, 1999. Том 2. с. 423-426.

2. Матвеев П.В. К вопросу о критериях и приоритетах при создании современной техники /П.В. Матвеев // Труды IV Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», СПб, 16-18 июня, 1999. Том 2. с. 150-151.

*3. Буторина М.В. Снижение шума железнодорожного транспорта /М.В. Буторина, Н.И. Иванов, Д.А. Куклин, П.В. Матвеев // «Безопасность жизнедеятельности»: научно-практический и учебно-методический журнал. - М.: Изд-во «Новые технологии», 2012. -№12. с. 1-23. 23/6

*4. Куклин Д.А. Экспериментальные исследования шума поездов на ровном участке /Д.А. Куклин, ИВ. Матвеев /.' Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 14 №1(3), 2012, с. 889-893.

5. Иванов Н.И. Снижение шума железнодорожного транспорта /Н.И. Иванов, Д.А. Куклин, П.В. Матвеев // Сборник трудов IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 26-28 марта, 2013. с. 116-145. 30/12

6. Иванов Н.И. Опыт применения акустических экранов для снижения шума на Октябрьской железной дороге/Н.И. Иванов [и др.]//Сборник трудов IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 26-28 марта, 2013. с. 438-442. 5/2.

*7. Куклин Д.А. Моделирование структурного шума, возникающего при контакте рельса и колеса /Д.А. Куклин, П.В. Матвеев// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 16 №1(5), 2014, с. 1908-1919

*8. Куклин Д.А., Влияние шлифования рельсов на внешний шум поездов /Д.А. Куклин, П.В. Матвеев, А.Ю. Олейников // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 16 №1(5), 2014, с. 1899-1907

♦отмечены публикации в изданиях по списку ВАК

Издательство БалтнПского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.ф. Устинова. 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1. Формат 60*90/16. Буьега офсетная. Печать трафарепия Тираж 130 экз.

Отечага ю в типира|ми БГТУ. 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красгоармгйасаяул, д. 1