Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние проблемы и постановка задач исследования 16
1.1 Объекты исследования 16
1.2 Нормирование шума железнодорожного транспорта 17
1.2.1 Общие положения 17
1.2.2 Санитарно-гигиенические нормы шума железнодорожного транспорта 17
1.2.3 Нормы внешнего шума подвижного состава железнодорожного транспорта в странах ЕС 23
1.3 Образование шума поездов 28
1.3.1 Общие характеристики процессов шумообразования 28
1.3.2 Шум качения 30
1.4 Расчеты образования и распространения шума поездов 34
1.4.1 Общие положения 34
1.4.2 Расчет шума поездов 35
1.4.3 Расчет распространения шума от поезда в окружающее пространство 1.5 Основные методы и средства снижения шума поездов 47
1.6 Снижение шума в источнике образования 1.6.1 Подвижной состав 53
1.6.2 Путь 56
1.7 Снижение шума на пути распространения 60
1.9 Стратегия борьбы с шумом на железных дорогах ЕС 63
1.11 Постановка задач исследования 68
Глава 2. Расчет и снижение шума поездов в источнике образования 70
2.1 Расчет уровней звука и эквивалентных уровней звука поездов 70
2.2 Расчет максимального уровня звука 76
2.3 Расчет эквивалентных уровней звукового давления в октавных полосах частот 80
2.4 Решение задачи анализа шума качения. Физико-математическая модель и теоретическая концепция 81
2.5 Решение задачи излучения звука колесом и рельсом численным методом конечных элементов 84
2.6 Анализ элементов расчетной схемы 84
2.7 Формирование расчетной схемы численного эксперимента 88
2.8 Физико-математическая модель излучения рельса от прогиба рельса 100
2.9 Физико-математическая модель вибрации рельса от ударного воздействия колеса и рельса 1 2.10 Снижение шума качения путём шлифования рельсов 105
2.11 Снижение шума качения накладками на шейку рельса 110
Выводы по главе 115
Глава 3. Расчет и исследование процессов дивергенции, поглощения и дифракции звука 118
3.1. Принятые допущения и границы расчетов 118
3.2. Правило расчетов 119
3.3. Описание расчетных схем 120
3.4 Распространение звука от линейного источника в свободном звуковом поле 123
3.5 Распространение звука от поезда, расположенного в выемке 125
3.6. Снижение шума с расстоянием
при нахождении поезда на насыпи 134
3.7. Распространение звука
при наличии ближнего средства звукоизоляции 136
Выводы по главе 143
Глава 4. Методика проведения экспериментальных исследований шума поездов и средств защиты от шума по пути распространения 144
4.1 Методические основы экспериментальных исследований 144
4.1.1 Условия проведения испытаний 144
4.1.2 Измерительная аппаратура
4.2 Исследование шума источников железнодорожного транспорта 147
4.3 Исследование затухания шума железнодорожного транспорта
4.3.1 Исследование характера затухания шума при движении железнодорожного транспорта на плоском участке 152
4.3.2 Исследование характера затухания шума при движении железнодорожного транспорта на насыпи 153
4.3.3 Исследование характера затухания шума при движении железнодорожного транспорта в выемке 154
4.3.5 Исследование характера затухания шума при движении железнодорожного транспорта по искусственному сооружению 157
4.4 Исследование эффективности средств снижения шума железнодорожного транспорта 158
4.4.1 Исследование эффективности снижения шума железнодорожного транспорта акустическими экранами 158
4.4.3 Исследование эффективности снижения шума железнодорожного транспорта накладками на шейку рельса 161
4.4.4 Исследование эффективности снижения шума при совместном применении акустических экранов и накладок на шейку рельса 162
4.4.5 Исследование эффективности снижения шума шлифованием рельса 163
4.4.6 Исследование эффективности снижения шума ближним средством звукоизоляции 165
4.5 Обработка результатов измерений 167
4.5.1 Построение зависимости уровня звука
от скорости по измеренным данным 168
Выводы по главе 169
Глава 5. Экспериментальные исследования шума железнодорожного транспорта 170
5.2 Снижение шума поездов на пути распространения 191
5.2.1 Снижение шума поездов на плоском участке с увеличением расстояния 191
5.2.2 Снижение шума с расстоянием при движении поездов в выемке 200
5.2.3 Снижение шума с расстоянием при движении поездов по насыпи 206
5.2.4 Снижение шума полосой зеленых насаждений 209
5.2.5 Снижение шума при движении поезда по искусственному сооружению 211
5.3 Исследования эффективности средств снижения шума
железнодорожного транспорта 215
5.3.1 Исследования снижения шума акустическими экранами 215
5.3.2 Исследования снижения шума акустическими экранами и накладками на шейку рельса 224
5.3.3 Исследования показателя дифракции 226
5.3.4 Исследование снижения шума ближним средством звукоизоляции 230
Выводы по главе 232
Глава 6. Разработка рекомендаций и технических требований к шумозащите, апробация предложенных решений и методов расчета 234
6.1 Разработка рекомендаций по снижению шума в источнике и на пути распространения 234
6.3 Требования к акустическим экранам 237
6.4 Результаты апробации акустических экранов 241
6.5 Разработанная нормативно-техническая документация 254
Выводы по главе 254
Заключение 256
Список использованных источников
- Общие характеристики процессов шумообразования
- Расчет максимального уровня звука
- Распространение звука от линейного источника в свободном звуковом поле
- Исследование эффективности снижения шума при совместном применении акустических экранов и накладок на шейку рельса
Общие характеристики процессов шумообразования
Первые направлены на ограничение вредных воздействий шума, действующего на население, проживающее вблизи железных дорог, вторые устанавливают предельные значения уровней звука (УЗ) и уровней звукового давления (УЗД), которые технически достижимы. Между этими нормами существует заметная разница (10-20 дБА), т.е. для достижения санитарных норм на территории жилой застройки требуется применять, как правило, шумозащиту на пути распространения. Введение технических норм необходимо для регламентации и контроля шума подвижного состава, ориентированного на лучшие технические образцы.
Эти нормы базируются на рекомендациях ВОЗ [27], но имеют определенные особенности, связанные со спецификой акустического воздействия. В [15, 75] сравнивается шум автодорожный и железнодорожный: – автодорожный шум – непрерывный, а железнодорожный прерывисто-регулярный, что позволяет слуховым рецепторам восстанавливаться от акустической нагрузки; – шум железнодорожного транспорта медленно возрастает и убывает, что также легче воспринимается населением; – шумовая нагрузка от железнодорожного транспорта распределена так, что способствует привыканию, в результате чего этот шум воспринимается легче; – психологически железнодорожный шум с пониманием воспринимается жителями. Сказанное [15] позволяет для железной дороги применять менее жесткие нормы по шуму по сравнению с автодорогой, на величину до 10 дБ. Это подтверждается данными специальных исследований, приведенных в виде кривых Шульца, например, в ГОСТ 31296.1 (рис. 1.1) [17]. 60 110 100 90 80 70 60 50 40 ЗО 20 10 О
В разных странах ЕС проводились исследования по оценке беспокоящего действия железнодорожного шума [7, 96, 98, 153, 202, 203, 210, 235]. Исследования подтвердили более лояльное отношение населения к воздействию железнодорожного шума по сравнению с шумом автодорог, что отразилось на принятии специальных норм шума железных дорог.
В [137] приведены сравнительные значения санитарных норм шума железнодорожного транспорта для нескольких стран Европы (табл. 1.6). Таблица 1.6. Нормы шума для железнодорожного транспорта в странах ЕС Страны Швейцария Германия Нидерланды Франция(проект) Италия Австрия Бонус 5 5 7 5 7 5 Норма(LАэкв) –день –ночь 55 до 60 45 до 50 59 49 57 47 6055 6555 60 50 Норма(LАмах) –день –ночь 63 до 68 53 до 58 6757 60 50 6055 - 68 LАэкв – норма эквивалентного уровня звука, дБА LАмах – норма максимального уровня звука, дБА
Обратим внимание, что разница между нормами автодорожного и железнодорожного шума (бонус за менее вредное восприятие шума) составляет от 5 до 7 дБА. Обоснованность такого подхода подтверждается опросами населения. В Германии 80% жителей, проживающих вблизи железных дорог, утверждают, что они привыкли к железнодорожному шуму [137].
В заключение остановимся на анализе норм шума, принятых в Российской Федерации [87]. Эти нормы не дифференцированы по источникам шумового воздействия (табл. 1.7).
Нормируемыми характеристиками на территории жилой застройки являются уровни звукового давления (дБ) в нижеуказанных октавных полосах частот, Гц, эквивалентные уровни звука и максимальные уровни звука, дБА. Допустимые значения для различных видов среды обитания приведены в табл. 1.7.
Расчет максимального уровня звука
Например, на установку АЭ высотой 4 м на 11 тысяч км.требуется 80 млрд., вибродемпфирование рельсов 20 млрд., отдельные сочетания шумозащиты от 5 до 60 млрд.
Реализация этих рекомендаций осуществляется с помощью специальных программ, принимаемых Правительствами стран ЕС, составлением кадастра шумовых нагрузок. Результаты представляются на картах шума масштабом 1:25000 или 1:10000.
В различных источниках приводятся цифры по масштабам применения традиционных методов защиты от шума на железнодорожном транспорте. Например, в Германии в начале 2000-х гг. в год устанавливалось до 115 км акустических экранов, 25 000 квартир оборудовались звукоизолирующими окнами (только за счет железных дорог, не считая расходов муниципалитетов).
Представляет интерес, какие цели ставятся в области снижения шума перед различными видами транспорта. Обратимся еще к одному официальному документу. Согласно научно-исследовательской программе Федеративного Правительства Германии на ближайшую перспективу предусмотрено снижение шума: – автомобильного транспорта на 10 дБА; – авиационного транспорта на 12 дБА; – железнодорожного транспорта на 15 дБА. Относительно большие требования к железнодорожному транспорту, на наш взгляд, это не столь уверенность в его большей вредности, а в существенно больших резервах, которыми обладает железнодорожный транспорт в области снижения шума. Ведь продуманная политика в этой области на железнодорожном транспорте в ЕС на 15-20 лет моложе, чем, например, в авиации. Оценивая основные направления политики ЕС в области снижения шума отметим, что они позволяют наметить пути выбора направлений и конструкций шумозащиты, которые необходимо изучить: – снижение шума качения (шлифование головки рельса, вибродемпфирование шейки рельса); – снижение шума на пути распространения (установка АЭ, в том числе малых, насыпи, выемки и пр.
Основные задачи исследования: – разработка классификации методов и средств защиты от шума железнодорожного транспорта в источнике и на пути распространения; – усовершенствование физической и математической моделей Ремингтона; исследование усовершенствованной модели с целью уточнения картины шумообразования при взаимодействии пары «колесо-рельс» для выбора путей снижения шума качения в источнике образования; – исследование в натурных условиях эффективности снижения шума качения путем снижения динамических воздействий на рельс (шлифование) и уменьшение звукоизлучающей способности рельса (вибродемпфирующая накладка на шейку рельса); – выполнение серии натурных экспериментов с целью установления связи шума поезда со скоростью движения (эквивалентный и максимальный УЗ, спектр шума в нормируемых октавных полосах частот) и его длиной для четырех основных категорий поездов; – определение акустической нагрузки от поездов на стандартном расстоянии для дневного и ночного времени суток; – разработка расчетных и математических моделей распространения звука через искусственные сооружения (выемки, насыпи, средства ближней звукоизоляции), учитывающих их геометрические параметры и акустические свойства; – теоретические исследования с целью установления закономерностей аппроксимации поезда источником цилиндрических, квазицилиндрических, сферических звуковых волн; – разработка методики натурных испытаний поездов в условиях распространения звука с препятствиями и искусственными сооружениями (выемки, насыпи, мосты, акустические экраны и пр.); – выполнение исследований по экспериментальной проверке разработанных математических моделей; – разработка методики акустических испытаний АЭ в натурных условиях; – разработка технических требований к проектированию, изготовлению и эксплуатации АЭ; – выполнение экспериментальных исследований по уточнению и выявлению влияния геометрических параметров и акустических свойств искусственных сооружений и др. устройств (насыпи, выемки, мосты, зеленые насаждения и др.) на их акустическую эффективность; – исследование акустической эффективности средств ближней звукоизоляции в натурных условиях, проверка точности разработанных математических моделей; – разработка практически проверенных рекомендаций по снижению шума железнодорожного транспорта; – апробация предложенных решений на практике; – разработка НТД по снижению шума железнодорожного транспорта.
Распространение звука от линейного источника в свободном звуковом поле
Из литературы известно [239, 240, 241, 242, 269], а так же наши собственные изыскания (приведены в главе 5 настоящей рукописи), что основной вклад во внешний шум поезда – это шум качения колеса по рельсу. Соответственно, имеет смысл рассмотреть причины возникновения данного шума и обосновать пути его снижения.
Задачи анализа шума, излучаемого при работе различного рода конструкциями, относятся к классу сопряжённых задач. Подвижные элементы деформируемых конструкций, находящиеся в контакте с воздушной средой, воздействуют на неё, создавая в ней возмущения различной физической природы. В зависимости от уровня энергий силовых воздействий, передаваемых сопряженной среде, задача делится на ряд подзадач. Определяющей или первостепенной задачей является достоверное знание динамики поведения твердой сплошной среды, в данном случае конструкции.
Второй задачей является анализ явления распространения шума в воздушной среде. При этом нужно отметить то, что в общем случае процесс распространения возмущений в контактируемых средах состоит из ряда явлений. При мощном энергетическом воздействии возмущения могут передаваться в дозвуковом, околозвуковом и сверхзвуковом диапазонах скоростей рассматриваемой среды. Для ограниченных сред критерием выбора метода расчета является сопоставление периода собственных колебаний ограниченной среды с продолжительностью нагружения (длительностью изменяемой нагрузки). Считается, что при длительном во времени нагружении возмущения проходят плавно, квазистатически, поэтому деформирование успевает распространиться на весь объем ограниченной среды и происходит со скоростью её звука. Для неограниченной среды окончание процесса определяется обнулением энергии деформирования среды, после которого начинается процесс образования упругих волн. В околозвуковом и сверхзвуковом режимах возмущения вступают во взаимодействие с собственными амплитудно-частотными характеристиками сред. При этом их энергетическая насыщенность определяется низшими частотами. По мере роста частот энергия акустического явления снижается.
Таким образом, совместный анализ указанных явлений сводится к определению напряжённо-деформированного состояния системы взаимосвязанных контактирующих упругих сред неограниченное воздушное пространство – ограниченная твердая среда (конструкция) при квазистатическом нагружении (в диапазоне до 300 Гц). И при анализе явлений на частотах свыше 300 Гц – динамической задаче напряжённого состояния конструкции, состоящей из набора деформируемых элементов (поршней) контактируемых с неограниченным воздушным пространством и излучающих поверхностью контакта акустические волны.
В соответствии с вышеизложенными положениями для решения задачи рассматриваются два процесса (рис. 2.6): вибрация элементов системы колесо-рельс и звукоизлучение.
Возникновение вибраций конструкций предлагается модель Ремингтона-Томпсона [239, 240, 241, 242]. В модели Ремингтона-Томпсона учитывается ударное воздействие из-за неровностей колеса, рельса и промежуточного слоя между ними в виде оксидных плёнок, жировых и других органических плёнок, смягчающих ударное воздействие.
Согласно этому принципу, если устранить полностью неровности на поверхностях катания колеса и рельса, то шум пары колесо-рельс может быть исключён. Следует отметить, что технически такая задача нереализуема. Однако помимо ударного воздействия при взаимодействии поверхностей происходит и силовое воздействие (рис. 2.6). МН-с К=2МН/м С = 0,01 МН-с К= 500 МН/м С = 0,2 Рельс Кузов вагона /////////
Под весом вагона, в момент времени t наезда колеса на рассматриваемую точку, происходит прогиб рельсов, а в следующий момент времени t+t (зависит от скорости движения вагона), после снятия нагрузки, происходит колебательный процесс с постепенным затуханием. На колебательный процесс рельса оказывают демпфирующее влияние прикреплённые шпалы, подрельсовые прокладки и щебёночный балласт. 2.5 Решение задачи излучения звука колесом и рельсом численным методом конечных элементов
Реализованная методика расчёта связанных виброакустических задач методом конечных элементов (МКЭ) является полуаналитической и основывается на поршневой аналогии. При решении вначале определяются перемещения узлов конечномерной модели совокупности поверхностей конструкции, затем, элементы последних, представляются акустическими поршнями – источниками звука, образующими поршневую группу. В каждой точке воздушного объёма находится звуковое давление, создаваемое элементарными источниками, а полное определяется формулами логарифмического суммирования [126]. Эти формулы являются статистическими и хорошо работают только при сравнительно большом числе длин волн на длине свободного пробега, т.е. выше частоты fд. Последняя связана с объёмом замкнутого пространства V известным соотношением Майера [206].
Вертикальные силы от колес к рельсам приложены статически (не перемешаются вдоль пути). Но величина сил определяется с учетом динамики. Она складывается из статического давления колеса на рельс Рст и динамических добавок, возникающих при колебаниях кузова и необрессоренных масс подвижного состава при наличии несовершенств пути и колес. В расчет принимается вероятностное значение суммарной вертикальной силы. Pвер=Pст+ (Pр+Pип+Pик), Па (2.22)
При известной статической силе Рст (давление от колеса) задача сводится к определению динамических добавок (инерционных сил Рр, – инерция рельса, Рип – инерция подошвы, Рик – инерция колеса). Приведенные в работе [69] исследования показывают, что на динамические нагрузки, действующие на путь, существенно влияют качество пути и отклонения колес от формы окружности. Так, при плохом качестве путей, максимальные динамические усилия могут превысить среднюю квазистатическую осевую нагрузку в два раза при скорости v = 100 км/ч и примерно в 2,5 раза при v = 300 км/ч. Дефекты рельсов и колес также могут привести к нагрузкам, в три раза превышающим нормальную статическую нагрузку на колесо. Такие большие нагрузки всегда связаны с высокочастотной вибрацией.
Исследование эффективности снижения шума при совместном применении акустических экранов и накладок на шейку рельса
К основным источникам шума железнодорожного транспорта следует отнести: пантограф – контактный провод; пару колесо – рельс; межвагонную сцепку. При проведении экспериментальных исследований по выделению вклада вышеуказанных источников во внешнее звуковое поле испытуемые единицы подвижного состава находились в состоянии полной рабочей оснащенности. Измерения проводились во время движения подвижного состава с постоянной скоростью на скоростном участке. Измерения проводились для следующих типов поездов: – пассажирский; – грузовой; – электропоезд; – скоростной.
При постановке эксперимента микрофоны располагались следующим образом: – микрофон № 1 – пантограф – контактный провод, расстояние от оси пути 3,7 м, высота 6,5 м от уровня головки рельса; – микрофон № 2 – межвагонная сцепка, расстояние от оси пути 3,7 м, высота 1 м от уровня головки рельса; – микрофон № 3 – головка рельса – колесо, расстояние от оси пути 3,7 м, высота 0 м от уровня головки рельса; – микрофон № 4 – внешнее поле, расстояние от оси пути 7,5 м, высота 1,5 м от уровня головки рельса; – вибродатчик – закреплен на подошве рельса в плоскости перпендикулярной оси пути и проходящей через установленные микрофоны.
Схема расположения измерительных точек (микрофонов и датчиков) 1 – микрофон на уровне пантографа; 2 – микрофон на уровне вагонной сцепки; 3 – микрофон на уровне головки рельса; 4 – микрофон на расстоянии 7,5 м от ближайшего рельса; 5 – вибродатчик на подошве рельса в одной плоскости с остальными микрофонами, перпендикулярной оси движения поезда Главная ось микрофона была направлена перпендикулярно к участку пути, на котором проводится измерение. Измерения в каждой точке проводились не менее трех раз. Если результаты измерений не отличались более чем на 3 дБ (дБА), то за результат измерения принималось среднее значение. Если результаты измерений отличались более, чем на 3 дБ(дБА), то проводилось еще не менее 2 измерений в этих же точках. По значениям первых 5 измерений рассчитывался коэффициент K: K = Lmax – Lmin, дБ, (4.1) где Lmax, Lmin – максимальное и минимальное значение из результатов измерений, дБ.
Из таблицы 4.1. по ближайшему большему к вычисленному значению К находят необходимое число наблюдений n. Проводят недостающее число наблюдений и для них определяют коэффициент К. Если коэффициент К стал больше, уточняют по нему число n. Процесс уточнения n повторяют до тех пор, пока наибольшее из рассчитанных значений коэффициента К не станет меньше табличного значения К для проведенного числа наблюдений.
Данные со всех каналов для последующей обработки одновременно фиксировались во внутреннем регистраторе системы и записывались на винчестер подключенного к системе компьютера. При измерениях шума фиксировалась скорость проходящего состава и скорость движения воздуха в районе установки микрофонов. Окончательная обработка результатов измерения производилась в условиях лаборатории.
Натурные исследования характера затухания шума в зависимости от расстояния от железнодорожного полотна, рельефа местности, наличия и отсутствия шумозащитного экрана. Данные измерения проводились для следующих типов рельефа местности: – плоский участок; – насыпь; – выемка; – искусственное сооружение. Измерения проводились для следующих типов подвижного состава: – пассажирский; – грузовой; – электропоезд; – скоростной. Испытуемые единицы подвижного состава находились в состоянии полной рабочей оснащенности и отвечали техническим условиям. Измерения проводились во время движения подвижного состава с постоянной скоростью на скоростном участке.
Главная ось микрофона была направлена перпендикулярно к участку пути, на котором проводилось измерение.
Измерение начиналось при приближении поезда к месту установки микрофонов и датчиков на расстояние 50 метров и останавливалось после удаления последнего вагона проходящего поезда на 50 м от места измерений.
Данные со всех каналов для последующей обработки одновременно фиксировались во внутреннем регистраторе системы и записывались на винчестер подключенного к системе компьютера.
Измерения проводилось синхронно 4 шумомерами, объединенными в одну измерительную систему и расположенными следующим образом: шумомер № 1 – на расстоянии 7,5 м от оси пути; шумомер № 2 – на расстоянии 25 м от оси пути; шумомер № 3 – на расстоянии 50 м от оси пути; шумомер № 4 – на расстоянии 100 м от оси пути. Схема расположения точек измерений представлена на рис. 4.2.