Е.А. Божко2 чл.-корр НАН Украины, доктор техн. наук,
О.О. Мугин1 канд. техн. наук,
К.Б. Мягкохлеб1 канд. техн. наук.1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук машиноведения РАН(Россия, г. Москва E-mail: omugin@imash.ru)
2Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины(г. Харьков, E mail: mkb2004@ukr.net)
О НЕКОТОРЫХ ПОДХОДАХ К СНИЖЕНИЮ ВИБРАЦИИ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Рассматривается проблема подавления вибрации, создаваемой поездами метрополитена. Снижение вибрации, возникающей при взаимодействии железнодорожного состава и рельсов в контакте "рельс-колесо" осуществляется посредством размещения под верхним строением пути гидравлических виброизоляторов с внутренними инерционными элементами. Прогнозируется усиление эффекта виброизоляции (на 6-30 дБ) при сохранении необходимой величины статической жесткости.
Considers the problem suppressing vibration caused by underground. Reduced vibration generated by the interaction of trains and rails in contact "rail-wheel" performed by placing a permanent way of hydraulic vibration isolators with inner inertial elements. Predicted enhancement of the effect of vibration isolation (by 6-30 dB) while maintaining the necessary amount of static stiffness.
Современную транспортную сеть в крупных городах и мегаполисах невозможно представить без наиболее совершенного вида массового транспорта - метрополитена, позволяющего обеспечить наибольший провоз пассажиров. Рост интенсивности движения на линиях, их более интенсивная загрузка и строительство новых линий метрополитена, приводят к необходимости учета возможных воздействий поездов на окружающую застройку.
Любой вид транспорта, особенно рельсовый является источником колебаний, передающихся через грунтовую среду на расположенные вблизи транспортных магистралей сооружения и вызывающих их вибрацию, которая сказывается как на техническом состоянии зданий, так и на санитарно-гигиенических условиях пребывания в них людей. Поэтому в последнее время в нормативные документы вводятся все более жесткие нормы на вибрацию и шум [1].
Известно, что линии метрополитена мелкого заложения являются источником повышенной вибрации, которая распространяется по грунту и передается на фундаменты зданий, расположенных в технической зоне метрополитена [2]. Поэтому возникает необходимость снижения уровней вибрации и структурного шума в застройке, прилегающей к проектируемым и строящимся линиям метрополитена.
В данной статье предлагается метод снижения вибрации, возникающей от движения состава через рельсы на основание (грунт) путем размещения под верхним строением пути гидравлических виброизоляторов с внутренними инерционными элементами.
Рис. 1.Модель системы подвижного состава метрополитена
На рис. 1 представлена модель системы подвижного состава метрополитена (на примере вагона подвижного состава), состоящая из вагона 1, тележки вагона 2, тоннеля, пути 3 и обделки тоннеля 4, опирающейся на грунт 5.
Основным источником возбуждения вибрации является точка взаимодействия колес тележки поезда и рельсов, по этому основная задача - это снижение вибрации, возникающей при взаимодействии подвижного состава и верхнего строения пути (рельсов) в контакте "рельс-колесо" (рис. 2.) на станциях метрополитена и в тоннелях, а также при их последующем распространении по грунту и действии на расположенные вблизи наземные сооружения.
Рис.2. Взаимодействие подвижного состава и пути при движении: 1 — неровности на поверхности катания колеса; 2 — волнообразный износ на поверхности катания рельса
При рассмотрении данной задачи мы находимся в системе координат связанных поездом при установившимся равномерном движении поезда в продольном направлении.
Применяемые сейчас пути виброизоляции можно разделить на два класса:
Виброизоляция колеса (покрытие резиной обода) рельсового транспорта (Великобритания, Германия)
Виброизоляция пути (Россия, Украина, США, Япония).
Упомянем запатентованную и применяемую в России так называемую сборную резиновую виброзащитную оболочку для верхнего строения пути изображенную на рис. 3.
Рис. 3 Сборная резиновая виброзащитная оболочка для верхнего строения пути.
Эта виброзащитная оболочка монтируется на полушпалке и помещается в жесткий короб из стеклофибробетона. В коробе размещены и прижаты к полушпалку резиновые опорный и боковые виброизолирующие элементы.
Исследования, проведенные Общероссийским Общественным Объединением "Тоннельная ассоциация России" [2], показали, что превышение уровня вибрации на станциях метрополитена и в тоннелях над санитарными нормами наблюдается в октавах с центральными частотами 16, 31,5 и 63 Гц. (Рис. 4.)
Рис. 4.Спектры вертикальных виброускорений колебаний грунта в районе рельсовой трассы.
Снижение вибрации в полосе частот 16-67 Гц можно выполнить применением виброизоляторов с внутренними инерциальными элементами [3]. Результатом является снижение динамической жесткости виброизолятора в определенном заранее заданном частотном диапазоне.
Изобразим систему, приведенную на (рис. 2) с добавлением на участке
путь – основание гидравлического виброизолятора в виде эквивалентной механической системы, используя при расчетах методы теории цепей, импеданса и теорему Тевинина об эквивалентной системе [3-5] (рис. 6).
Рис. 5. Модель механической системы с гидроопорой.
Вагон подвижного состава с тележкой, содержащий пружины и демпферы, устанавливается на рельсовый путь (верхнее строение пути), опирающийся на дополнительный элемент - инерционный трансформатор с приведенной массой m. Возбуждающая сила F действует через массу m31 (колесо) на массу m32 (путь). При некоторых условиях наступает разрыв, тогда имеет место ударные нагрузки [6], которые будем выражать как взаимодействие: тел с массами m31 и m32. В данной работе рассматривается задачу в пренебрежении ударами, учет соударений предполагается провести в последующих работах.
Динамическая жесткость рассматриваемого виброизолятора, в отличие от обычного (у которого приведенная масса m = 0) будет: (1)
где - частота, i - мнимая единица,b3- линейное демпфирование виброизолятора, с3 - жесткость виброизолятора, m - масса инерционного трансформатора.
На виброизолятор установлены массы (вагона, тележки и рельсового пути). Суммарная динамическая жесткость Dc такой системы при действии на массу силы F составит
Dc =D0 + D1 - (m3), (2)
где D0 - динамическая жесткость объекта (вагона и тележки), D1 - суммарная динамическая жесткость виброизолятора и основания, ω- частота, m32 - масса пути.
Суммарная динамическая жесткость виброизолятора и основания:
(4)
где D - динамическая жесткость виброизолятора, Df- динамическая жесткость основания.
Для определения эффективности работы виброизолятора введем передаточную функцию Ff
функцию по силе , где F-сила, возникающая в контакте колесо-рельс; Ff - сила, действующая на основание.
Из передаточной функции, построенной с помощью формул (1)-(4), получаем коэффициент передачи . На рис. 6 приведены зависимости коэффициентов передач от частоты.
Рис. 6. Зависимости коэффициентов передач.
Сравним на рис. 6 кривые коэффициентов передач для систем виброизоляции с виброизолятором (настроенного на частоту 31,5 (а) и 45 Гц (б)) с внутренними инерциальными элементами (кривые 3), обычным виброизолятором с приведенной массой m = 0 (кривые 2) и без виброизолятора (кривые 1).
Из анализа кривых рис. 6 видно, что резонансная частота системы с виброизолятором с внутренними инерциальными элементами будет находиться на частоте более низкой (смещается влево), чем у обычной системы виброизоляции. Кроме того, частота резонанса динамической жесткости виброизолятора с внутренними инерциальными элементами совпадает с частотой нуля коэффициента передачи.
Таким образом вибрации на частоте резонанса динамической жесткости гидроопоры не будут переданы на основание. Кроме того существует диапазон частот около которого коэффициент передач стремиться к минимуму, что с одной стороны позволяет снизить требования к точности изготовления гидроопор, а с другой расширить полосу частот на которых гидроопора будет эффективно работать.
В таблице 1 приведен анализ частотных зависимостей коэффициента передачи виброизолятора с внутренними инерциальными элементами, настраиваемыми на частоты 31,5 и 45 Гц.
Таблица 1.
Характеристика виброизолятора
Виброизолятор с внутренними инерциальными элементами
Частота настройки, Гц
31,5
45
Смещение резонансного пика в сторону более низких частот
наблюдается
наблюдается
Величина снижения вибрации на частоте настройки, дБ
6-14
6-12
Снижение вибрации в полосе частот по сравнению с обычной виброизоляцией, Гц
12-45
12-65
Так же данная система может быть успешно применена для виброзащиты путевого пространства скоростных поездов типа «Красная стрела», «Сапсан» и т.д. при скоростях движения 200 – 280 км/ч частоты максимальных виброускорений передаваемых на грунт будут приближаться к 130 Гц.
На рис. 7 представлена экспериментально полученная частотная зависимость коэффициента передачи для виброизолятора (гидроопоры) с использованием инерционности и демпфирования (при настройке виброизолятора на частоту 130 Гц): 1 - белый шум (mах), 2 - белый шум (min). Виброизолятор нагружали статической нагрузкой 700 кг. Испытания проводили на экспериментальном стенде, который снабжен электронно-измерительной системой, позволяющей проводить измерения различных вибрационных характеристик процесса, в том числе комплексной жесткости и механического импеданса
Из анализа кривых, представленных на рис. 7, видно, что эффект повышенной виброизоляции наблюдается в полосе частот 115-135 Гц. Настройка такого виброизолятора на частоту 45 Гц возможна путем уменьшения толщины и увеличения числа промежуточных камер, а также другими изменениями. Сложность течения жидкости в камерах требует, для получения желаемого результата, дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
На рисунке 8. показаны экспериментально полученные спектры вертикальных виброускорений колебаний грунта при виброизоляции рельсовой трассы.
Рис. 8. Спектры вертикальных виброускорений колебаний грунта в районе рельсовой трассы после установки виброизоляторов.
Анализ рис. 5 и 8 показывает, что эффективность виброзащитной оболочки по данным измерений составляет: 1. В октавной полосе 31,5 Гц: 6 дБ – на частоте 25 Гц; 18,3 дБ – на частоте 37,5 Гц. 2. В октавной полосе 63 Гц: 22,5 дБ – на частоте 50 Гц; 30,7 дБ – на частоте 66,7 Гц.
Полученные результаты свидетельствуют об усилении эффекта виброизоляции пути при помощи виброизоляторов с внутренними инерциальными элементами обеспечивает усиление эффекта виброизоляции в полосе частот 16-67 Гц. на 6 - 30,7 дБ при сохранении необходимой величины статической жесткости и, следовательно, устойчивости объектов при установке их на виброизоляторы.
На динамику подобных систем большое влияние могут оказать соударения элементов конструкций [6] Учет этих факторов будет проведен в дальнейших работах.
В заключение сделаем несколько принципиальных замечаний.
Необходимость обращения к подобным задачам диктуется, прежде всего, тем обстоятельством, что защита зданий и сооружений в городах от разрушения, вызванного воздействием вредных воздействий вибраций приобретает особую актуальность с ростом скоростей и интенсивностью движения
Вибрации, передаваемые через грунт на конструкции зданий, воспринимаются как неприятные низкочастотные колебания, ухудшающие самочувствие людей и работу прецизионных приборов, или как беспокоящий шум (гул).
Предложенные модели позволяют также исследовать и вибрации возникающие от движения наземного рельсового транспорта.
Работа выполнена при поддержкеРоссийского фонда фундаментальных исследований (проект № 13-08-90419 Укр_ф_а) и Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (проект № Ф53.7/038).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СНиП 23-03-2003. Защита от шума. М.: Госстрой России, 2003.
Комплекс нормативных документов по оценке шума и вибрации от метрополитена.Сб. нормативных документов МОО "Тоннельная ассоциация". М.: ТИМР, 1998.
Гордеев Б.А., Ерофеев В.И., Синев А.В., Мугин О.О. Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред. М.: Физматлит, 2004. 176 с.
Сирил М. Харрис, Чарльз И. Крид. Справочник по ударным нагрузкам. Л.: Судостроение,1980.360 с.
Обморшев А.Н. Введение в теорию колебаний. М.: Наука, 1965. 276 с.
Vladimir I. Babitsky, Vitaly L. Krupenin Vibration of Strongly Nolinear Discontinuous Systems. Berlin. Springer, 2001 380 c.
Библиографическая ссылка
Крупенин В.Л.,Божко Е.А., Мугин О.О.,
Мягкохлеб К.Б. О НЕКОТОРЫХ ПОДХОДАХ К СНИЖЕНИЮ ВИБРАЦИИ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ // Научный электронный архив.
URL: http://econf.rae.ru/article/7862 (дата обращения: 26.04.2024).
Прочитать публикацию в формате PDF
данной статье предлагается метод снижения вибрации, возникающей от движения состава через рельсы на основание (грунт) путем размещения под верхним строением пути гидравлических виброизоляторов с внутренними инерционными элементами.
помянем запатентованную и применяемую в России так называемую сборную резиновую виброзащитную оболочку для верхнего строения пути изображенную на рис. 3. 
ис. 4.Спектры вертикальных виброускорений колебаний грунта в районе рельсовой трассы.
уть – основание гидравлического виброизолятора в виде эквивалентной механической системы, используя при расчетах методы теории цепей, импеданса и теорему Тевинина об эквивалентной системе [3-5] (рис. 6).
(1)
- частота, i - мнимая единица,b3- линейное демпфирование виброизолятора, с3 - жесткость виброизолятора, m - масса инерционного трансформатора.
), (2)
(3)
(4)
, где F-сила, возникающая в контакте колесо-рельс; Ff - сила, действующая на основание.
з передаточной функции, построенной с помощью формул (1)-(4), получаем коэффициент передачи 
. На рис. 6 приведены зависимости коэффициентов передач от частоты.
ис. 8. Спектры вертикальных виброускорений колебаний грунта в районе рельсовой трассы после установки виброизоляторов.