Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 8
1.1. Объекты исследования 8
1.2. Воздействие шума поездов на население и нормирование шума железнодорожного транспорта 8
1.3. Образование шума качения 14
1.4. Расчёт шума качения 21
1.5. Общие меры снижения шума 26
1.6. Снижение шума качения 30
1.7. Постановка задач исследования 38
ГЛАВА 2. Решение задачи анализа шума качения 39
2.1. Физико-математическая модель и теоретическая концепция 39
2.2. Физико-математическая модель излучения рельса от прогиба рельса 41
2.3. Физико-математическая модель излучения рельса от ударного воздействия колеса и рельса 43
2.4.Решение задачи излучения звука колесом и рельсом численным методом конечных элементов. 45
2.5. Обсуждение элементов расчетной схемы 45
2.6. Формирование расчетной схемы численного эксперимента 48
2.8. Выводы по главе 59
ГЛАВА 3. Методики проведения испытаний 61
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований процессов образования шума качения 61
3.1.1 Условия проведения испытаний 61
3.1.2 Обработка результатов измерения 61
3.1.4 Место проведения испытаний 63
3.1.5 Состояние, режим работы и тип подвижного состава 64
3.1.6 Измерительная аппаратура и расположение микрофонов и датчиков 64
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований процессов эффективности накладок в шейку рельса 65
3.2.1 Расположение микрофонов и датчиков 65
3.2.3 Условия проведения измерений 66
3.3. Методика проведения испытаний при шлифовании рельсов 67
3.3.1. Выбор участка для испытаний 69
3.3.2. Измерительная аппаратура 69
3.3.4. Условия измерений 71
3.4. Методика проведения испытаний ближнего средства звукоизоляции 75
3.4.1. Объекты и режимы испытаний 75
3.4.2. Условия измерений 78
3.5. Выводы по главе: 79
ГЛАВА 4. Исследования процессов шумообразования и эффективности средств снижения шума 80
4.1. Экспериментальные исследования вкладов различных источников шума поездов на различных скоростях движения 80
4.1.5. Обобщение характеристик шума качения поездов 97
4.2. Экспериментальное снижение шума применением вставок в рельсы 99
4.3. Исследования по снижению внешнего шума поездов путём шлифования рельсов 103
4.4. Выводы по главе 108
ГЛАВА 5. Снижение шума качения поездов 109
5.1 Расчет и испытания акустической эффективности средств ближней звукоизоляции 109
5.2 Определение акустической эффективности средства ближней звукоизоляции 113
5.3 Рекомендации по снижению шума качения поездов 116
5.4. Выводы по главе 117
Выводы и рекомендации 118
Литература
- Образование шума качения
- Обсуждение элементов расчетной схемы
- Расположение микрофонов и датчиков
- Обобщение характеристик шума качения поездов
Образование шума качения
Рассмотрим явления, которые происходят при контакте колеса и рельса. При контакте неровности на поверхностях катания на колесе и на рельсе, которые взаимодействуют и вызывают вибрации в конструкционных элементах пути и подвижного состава. Вибрирующие поверхности элементов вызывают излучение звука, интенсивность которого зависит от амплитуды колебаний, динамических характеристик, конфигурации элементов, материала, из которого они изготовлены [24]. Процесс образования шума качения описывают моделью созданной Ремингтоном (P.J. Remington) [22, 61, 46], которая в упрощённом виде показана на рис. 1.8.
В модели принято понятие контактного фильтра. Это важная составляющая модели. В месте контакта образуется контактное пятно, где, помимо двух основных тел колеса и рельса, можно выделить третье тело – промежуточный слой, состоящий из смеси оксида железа, и других продуктов износа колес и рельсов [156]. Эта смесь выполняет роль своего рода прокладки, или фильтра, снижающего возникающие напряжения.
В реальных условиях наблюдается некоторое линейное перемещение колеса относительно рельса то есть движение колеса фактически представляет собой сочетание качения и скольжения по поверхности рельса (рис. 1.10) Промежуточный слой
В контактном пятне имеют место чрезвычайно высокие давления, соответствующие усилиям сдвига, и это приводит к значительным затратам энергии. Вследствие этого в зоне пятна контакта действуют значительные контактные силы и излучается высокоинтенсивный шум [156].
Из-за ударного характера взаимодействия в контактирующих телах возбуждается весь спектр собственных частот, на которых излучается шум.
В зоне контакта колеса с рельсом возникает контактное давление, которое состоит из статической нагрузки вызванной массой приходящейся на колёсную пару, и динамических сил, связанных со скоростным режимом поезда. Эти силы возникают из-за неровностей поверхностей катания в точке контакта. Контактное давление зависит, главным образом, от амплитуды неровностей в точке контакта [23]. Это влияние можно проследить из анализа рис. 1.11, приведённого в работе [27]. Здесь показано, насколько увеличивается шум качения при увеличении высоты неровности. Так увеличение неровности с 30 до 50 мкм приводит к росту шума на 5 дБ. L, дБА 8 4 50 h, мкм дисковыми тормозами, от высоты неровностей поверхности катания рельсов: L — уровень звука; h — высота неровностей рельса Возникает важный для решения шумозащиты вопрос: какой элемент системы взаимодействия оказывает наибольшее влияние на шумообразование в процессе качения колеса по рельсу. Ответ на этот вопрос содержится в ряде литературных источников. В основном данные базируются на результатах с использованием модели Ремингтона (P.J. Remington). В работе [27] приведены октавные спектры шума основных источников рис. 1. 10 дБ Л /3 / J /\v\ s?
Спектры шума основных источников от колес (1) – 94 дБА; рельсов (2) – 98 дБА; шпал (3) – 87 дБА и суммарного (4)
Спектр шума, излучаемого элементами носит низко-среднечастотный характер, основные составляющие в диапазоне 250…630 Гц. Спектр шума колеса средне-высокочастотный – 630…3150 Гц, а спектр шума рельса высокочастотный 1250…5000 Гц. По уровню звука вклады источников распределяются:
В работе [28] приведены расчётные спектры шума колеса и рельса (рис. 1.13.). Эти спектры имеют отличительный от вышеописанного характер, разница вкладов, например, в диапазоне частот 250…1000 Гц достигает 8…15 дБ. Рис. 1.13. Расчётные спектры шума колеса и рельса. Рис. 1 [28]
Ещё большее отличие от вышеприведённых данных содержится в работе [30]. Из рис. 1.14 видно, что разница вкладов колеса и рельса заметна в диапазоне частот 100…1250 Гц. Распределение шума качения грузового вагона с композиционными тормозными колодками, измеренного на высоте 1,2 м и на расстоянии от источника шума 7,5 м при скорости движения 80 км/ч: 1 – общий уровень шума, 2 – шум от рельс и шпал, 3 – колесо
На рис. 1.15 приведены спектры шума рельсов, колёс и шпал. Здесь обращено внимание, что колесо представляет в высокой степени резонирующую структуру, напоминающую колокол, и интенсивно вибрирует на различных резонансных частотах. В работе [28] приведено несколько примеров расчётов вклада источников в процессы шумообразования. Результаты расчётов сведены в табл. 1.4 110
Источник Вклады шума в примерах расчётов шума Пример 1 Пример 2 Пример 3 1 2 3 4 Колесо 104,9 дБ А 110,9 дБА 108,2 дБ А Рельс 108,6 дБ А 108,6 дБА 108,6 дБ А Отметим различие соотношения вкладов колеса и рельса в процессе образования шума качения. Объясняется это различным конструктивным исполнением колеса в приведённых примерах.
Общим для всех приведённых примеров является то, что вклад шума излучаемого рельсом больше вклада шума излучаемым колесом или, в крайнем случае, эти вклады равны [24, 28]. Вклад присоединённых конструкций заметно меньше вклада каждого из элементов пары «колесо-рельс». Противоречивость проанализированных данных позволяет утверждать, что целесообразно уточнить существующую модель шума качения. 1.4. Расчёт шума качения
Основную роль в процессах образования шума качения играет вибрация. Действие вибрации связано со скоростью поезда (v, км/ч) и длиной состава (L, м). Длительность воздействия определяется по формуле 1.1 [1]:
Обсуждение элементов расчетной схемы
Рассмотрим более детально снижение шума качения отдельно для каждой из мер шумозащиты, в том числе для подвижного состава (улучшение тормозной системы, снижение шума колеса) и для пути (шлифование рельсов, звукоизоляция и вибродемпфирование рельса), а также использование ближней звукоизоляции (малые акустические экраны).
Тормозная система основной источник повышенного шумообразования – тормозные колодки, изготовленные из чугуна. Речь идёт не столько о шуме, возникающем при торможении вагонов, а о тех последствиях, которые связанные с процессом торможения. При интенсивном торможении возникает сильнейшее трение между поверхностью колеса и колодкой и происходит, как бы, приваривание колодки к поверхности катания. Следующим движением колеса с поверхности катания снимается слой металла с колеса и на поверхности катания колеса образуются, так называемые «ползуны» - участки поверхности катания колеса с отклонениями от круглости. При движении колеса по рельсу эти участки вызывают дополнительный стук при набегании на рельс. От такого импульсного воздействия возникают дополнительные динамические возбуждения всех элементов вагона и пути. Особенно такие возбуждения сказываются на пустых или малозагруженных вагонах. Вопросом снижения такого шума посвящены работы
Основные направления снижения шума от действия тормозных систем – это исключение этой причины путём ликвидации чугунных колодок и недопущение отклонений от круглости поверхностей катания колёс. Направлений два: – замена колодочных тормозов дисковыми; – замена чугунных колодок композитными или металлокерамическими. Замена колодочных тормозов дисковыми на пассажирских вагонах обеспечивает снижение шума, излучаемого колесом на 8…9 дБ.
Применение дисковых тормозов на грузовых вагонах затруднительно, поскольку срок службы вагонов 40 лет и парк грузовых вагонов огромен. Заменить все тормозные системы на всех грузовых вагонах одномоментно – невозможно. При формировании же грузовых составов может оказаться, что в одном составе будут вагоны со старым и с новым типом тормозов. Поскольку дисковые тормоза имеют большую эффективность торможения, то в одном составе вагоны будут тормозить неравномерно и возможны аварии и сходы вагонов. В этом случае идут по пути замены материала тормозных колодок – вместо чугуна предлагается использовать композитные материалы или металлокерамические материалы [139]. Эти колодки при торможении не вызывают приваривания и съёма металла, соответственно, возникает меньше дефектов и колесо остаётся круглым. При создании новых типов колодок необходимо соблюдать следующие условия: тип LL – из металлокерамического материала с таким же коэффициентом трения, как у чугунных колодок, для замены тормозных систем на эксплуатируемом подвижном составе, что позволяет обеспечить крупномасштабную замену чугунных колодок без существенного изменения конструкций грузовых вагонов. Испытания грузовых вагонов показали, что при применении новых типов колодок шум качения может быть снижен до 8 дБ. При этом отмечается, что тормозные системы с К-блоками уменьшают шум на 5…6 дБ, а с LL-блоками – до 7…8 дБ. На рис. 1.21. приведены уровни шума грузовых вагонов с различными типами тормозных систем [108]. 80 Уровни звука, дБА 88 84 80 76 Колодочные тормоза Колодочные тормоза Дисковые тормоза
Колесо. Вопросам снижения шума колеса посвящена обширная литература [140, 21, 27, 110, 141, 137, 36, 44, 112, 117, 138, 139, 46, 140, 141, 86, 142, 54, 128, 130]. Отметим, что для снижения шума колеса предлагается самые разнообразные меры: снижение диаметра колеса; уменьшение площади звукоизлучения; изменение формы колеса; вибродемпфирование колеса; подрессоривание колеса, путём установки накладок. Эти меры имеют различную эффективность от 1 дБ до 6 дБ, но применяемые в комплексе рис. 1.22. могут обеспечить от 5 до 10 дБ снижения шума. 1 – гладкая поверхность катания, эффективность до 10 дБА;
Шлифование рельсов. Меры по снижению шума шлифованием рельсов изложены работах [143, 25, 133, 136, 144, 145, 137, 44, 146]. С помощью шлифования с поверхности рельсов устраняются неровности в виде волнообразного износа, влияющие на интенсивность шума качения. На железных дорогах Европейского Союза применяют комбинированный метод акустического шлифования, представляющий собой сочетание фрезерования, строгания и колебательно-статического шлифования [147]. Обработка рельсов носит, как правило, превентивный характер и её необходимость определяется техническим состоянием рельсов (главным образом, высотой неровностей и глубиной дефектов рис. 1.23) и излучаемым шумом. Решение о проведении акустического шлифования принимается, если внешний шум поездов превышает установленную норму (для дня и ночи). Повторное шлифование проводится не реже раз в 12 месяцев, при этом средняя величина снимаемого слоя 0,3 мм. Рис. 1.23 Дефекты поверхности катания рельсов
Превентивная обработка рельсов позволяет предотвратить усталостные явления на поверхности катания. Приведённые на рис. 1.24. данные показывают значительное различие между превентивной обработкой, предусматривающей периодическое снятие металла и заменой рельсов, когда обнаруживаются серьёзные дефекты. Измерения до и после обработки показывают, что снижение шума после акустического шлифования достигает 10…12 дБ.
Отметим, что данные по акустической эффективности шлифовании рельсов противоречивы. Так в работе [143] указывается, что снижение волнообразного износа рельса уменьшает шум до 17 дБ (что представляется невозможным). В работе [25] подтверждается, что разница в условиях шума гладкого рельса и рельса с волнообразным износом достигает 15 дБ. Акустическое шлифование на железных дорогах Германии обеспечивает снижение шума качения 3 дБ [133]. В работе [27] шум качения связан с высотой неровностей рельсов.
При увеличении неровностей с 30 до 50 мкм шум возрастает на 5 дБ. Акстическое шлифование рельсов производится раз в год [157]. Акустическое шлифование проводят, если высота неровностей превышает 50 мкм [144]. Применением шлифования можно снизить шум на 12 дБ, частота обработки не менее 2-х раз в год [145]. Применение шлифования рельсов в Германии показало, что снижение шума качения достигло 3 дБ [44]. Критерием акустического шлифования является величина 4 дБА [146]. Таким образом в литературе диапазон снижения уровня звука при шлифовании имеет разброс от 3 до 17 дБ. Это говорит о том, что меры по шлифованию рельсов могут быть эффективны, но требуют экспериментальной проверки в отечественных условиях.
Рельс. Основные меры по снижению шума рельсов изложены в [140, 21, 27, 110, 141, 137, 36, 44, 112, 117, 138, 139, 46, 140, 141, 86, 142, 54, 128, 130, 148]. Снижение звукоизлучения рельса достигается установкой вибродемпфирующих накладок на шейку рельса [21], средством ближней звукоизоляции является акустический экран, установленный там же [110]. Виброизоляция рельса достигается установкой прокладок под рельс.
Расположение микрофонов и датчиков
В полученных спектрах имеется ряд характерных особенностей. Спектры воздушного шума носят в основном средне- высокочастотный характер, основные составляющие находятся в диапазоне частот 500-4000 Гц (рис.4.3). Во всех спектрах прослеживается наличие максимальных УЗД на частоте 800 Гц (1000 Гц). Сравнение спектров воздушного шума в указанном диапазоне частот (рис 4.3) со спектром звуковой вибрации (рис. 4.4) 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 выше сказанное. Действительно, выявить вклад (исходя из сравнительного анализа спектров) сцепки и пантографа не удалось.
Что касается низкочастотного диапазона 20-315 Гц (рис 4.3), то шум образуется на этих частотах от обтекания воздухом корпусов вагонов (аэродинамический шум).
Учитывая спектральный характер кривой норм шума (большие значения на низких частотах) низкочастотный шум не представляет серьёзной проблемы для населения близрасположенных жилых домов. В заключении рассмотрим зависимость шума поездов от скорости движения. С увеличением скорости спектра шума изменяется: пик в спектре несколько смещается в сторону высоких частот (рис. 4.6).
Однако следует отметить, что при скоростях электропоездов выше 100 км/час в формирование звукового поля определенный вклад начинает вносить пантограф, имеющийся на каждом втором вагоне.
Результаты зависимости уровней звука электропоездов на расстоянии 7,5 м от рельса от скорости движения приведены на рис. 4.5 и в таблице 4.1. Результаты проведенных экспериментальных исследований зависимости уровней звукового давления электропоездов от скорости движения на расстоянии 7,5 м от ближайшего рельса представлены на рис. 4.6. УЗ,дБА
Как видно из приведенных графиков уровни шума электропоездов возрастают с возрастанием скорости. При этом уровни звука лежат в диапазоне от 85 до 99 дБА.
Характер спектра шума пассажирских поездов идентичен характеру спектров электропоездов (рис. 2.7). В спектре присутствуют две ярко выраженные области: низкочастотный шум в диапазоне частот 20-315 Гц и средне- высокочастотный в диапазоне 400-8000 Гц. Для второй области характерно наличие пика на частоте 630 Гц, спектр воздушного шума в этом диапазоне полностью идентичен спектру звуковой вибрации (рис. 4.8). Ответственным за формирование этой области спектра является пара «колесо – рельс». Низкочастотная область спектра формируется аэродинамическим шумом.
Влияние сцепки и пантографа в спектре воздушного шума не проявилось: все кривые в этой области имеют приблизительно одинаковый характер. Отметим, что УЗД в точках 2 и 3 (микрофон на уровне колеса и межвагонной сцепки) приблизительно одинаковы: затухания звука не происходит, можно предполагать наличие плоской звуковой волны. Спектры измеренные в точках 1 и 4 (на уровне пантографа и на расстоянии 7,5 м от ближайшего рельса) лежат ниже указанных спектров, т.к. имеется затухание звука. Здесь звуковое поле сформировалось и может быть аппроксимированно полем цилиндрической звуковой волны. Спектр в токе 1 лежит ниже спектра в точке 4 (рис. 4.7), так как расстояние от основного источника до точки 1 больше чем расстояние до точки 4. Сравнительные характеристики
Уровни виброскорости на подошве рельса при прохождении пассажирского поезда на скорости 74 км/час На рис. 2.9 и 2.10 приведены уровни звукового давления в третьоктавных полосах частот и уровни виброскорости, полученные при прохождении пассажирского поезда на скорости 92 км/час.
Как и в предыдущем случае, внешнее звуковое поле формируется в основном излучением пары «колесо – рельс». Характер спектра вибрации повторят характер спектра зарегистрированного микрофоном на уровне пары «колесо – рельс» и спектра на расстоянии 7,5 м от ближайшего рельса.
При увеличении скорости до 105 км/час основной вклад в формирование внешнего звукового поля вносит пара «колесо – рельс», что снова подтверждается схожестью характеров спектров вибрации на подошве рельса и шума на расстоянии 7,5 м и на уровне колеса.
Из вышеизложенных примеров следует что во всем указанном диапазоне скоростей от 70 до 110 км/час определяющим фактором, формирующим звуковое поле пассажирских поездов является излучение шума парой «колесо – рельс».
Сравнительные характеристики уровней звукового давления и уровней звука пассажирских поездов на расстоянии 7,5 м от рельса в зависимости от скорости движения представлены на рис. 4.13 и 4.14 и в таблице 4.2.
Обобщение характеристик шума качения поездов
Выполненные исследования позволили разработать апробированные рекомендации по снижению шума качения поездов, основные положения этих рекомендаций с полученным исследованиями эффектом шумоглушения приведены в таблице 5.4.
Рекомендации по снижению шума Мера или конструкция шумоглушения Эффект шумоглушения, дБА Шлифование рельсов 2-3 Накладки на рельс 1-2 Акустическое шлифование рельсов 6-8 Средства ближней звукоизоляции 8-10 116 1. Альтернативным способом применения средств и мер снижения шума качения в источнике является использование средств ближней звукоизоляции. 2. На основании статистической теории акустики с пспользованием допущения о наличии квазидиффузного звукового поля между малым акустическим экраном и представления последнего, как линейного источника шума предложен метод расчёта акустической эффективности малых акустических экранов. 3. Акустическая эффективность малого акустического экрана зависит от его положения по отношению к источнику шума, высоты, акустических свойств, а также от акустических свойств отражающих поверхностей и расстоянием от малого акустического экрана до расчётной точки. 4. Выполнены акустические испытания опытного малого акустического экрана. Акустическая эффективность последнего в зависимости от положения поезда составляет от 6 до 10 дБ (3-12 дБ в нормируемом диапазоне частот). 5. Сравнение данных расчёта с экспериментом показало хорошее совпадение данных в диапазоне частот 500…4000 Гц и приемлемое в низкочастотном диапазоне. 6. Разработаны рекомендации по снижению шума качения, включающие применение средств снижения шума в источнике в виде ближнего средства звукоизоляции.
Разработана классификация методов снижения шума качения. В источнике образования шум может быть снижен уменьшением возмущающих сил (шлифование рельсов, обточка бандажей колёс, применением дисковых тормозов) или снижением звукоизлучающей способности рельса и колеса (вибродемпфирование, звукоизоляции шейки рельса, применением прокладок под рельс), на пути распространения снижение шума достигается средствами ближней звукоизоляции. 2. Наиболее излучающими поверхностями являются крайние точки колеса – в контакте колесо-рельс и верхняя часть колеса. При этом звуковая волна, исходящая от точки контакта колесо-рельс – цилиндрическая, а от верхней точки колеса – сферическая, соответственно энергия излучения излучаемая возле точки контакта больше и это основной источник. 3. 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. Также установления связей между акустическими и вибрационными процессами, а так же связи шума качения со скоростными параметрами и типами поездов. Разработана методика экспериментальных испытаний при шлифовании рельсов и применении накладок в шейку рельса, в которой даны условия испытаний, расположение измерительных микрофонов, состав измерительной аппаратуры, а так же показаны пределы неопределённости при выборе объектов исследований. 4. 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 утверждение подтверждается, как сравнительным анализом спектров воздушного шума и звуковой вибрации, так и измерениями звуковых полей испытуемых поездов в пространстве. Установлена линейная связь шума качения поездов со скоростью их движения при удвоении скорости для грузовых, пассажирских и электропоездов. Зафиксировано увеличение УЗ приблизительно на 10 дБА, а для скоростных – на 12 дБА. Самыми малошумными являются скоростные поезда (например, на скорости 100 км/ч УЗ соствляет 71 дБА), для пассажирских на такой же скорости 83 дБА. Электропоезда – 86 дБА, грузовых – 90 дБА. 5. Выполненные исследования снижения шума вставок в рельс проведённые на опытном участке показали, что эффективность этого средства в отечественных условиях составляет 2-3 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). При проведении экспериментальных исследований было проведено испытания почти на полутысячи поездов, полученные результаты являются осреднёнными данными и могут считаться достоверными. 6. Альтернативным способом применения средств и мер снижения шума качения в источнике является использование средств ближней звукоизоляции. На основании статистической теории акустики с пспользованием допущения о наличии квазидиффузного звукового поля между ближним средством звукоизоляции и представления последнего, как плоского источника шума предложен метод расчёта акустической эффективности ближнего средства звукоизоляции. 7. Акустическая эффективность малого акустического экрана зависит от его положения по отношению к источнику шума, высоты, акустических свойств, а также от акустических свойств отражающих поверхностей и расстоянием от малого акустического экрана до расчётной точки. Выполнены акустические испытания опытного малого акустического экрана. Акустическая эффективность последнего в зависимости от положения поезда составляет от 6 до 8 дБ (3-12 дБ в нормируемом диапазоне частот). 8. Разработаны рекомендации по снижению шума качения, включающие применение средств снижения шума в источнике (шлифование рельсов, применение вибродемпфирующих накладок) и ближнего средства звукоизоляции.
