В А Голендер - Анализ условий возникновения вибраций (шума) трамвайного вагона и обоснование выбора его динамической модели - страница 1

Коммунальное хозяйство городов

УДК 629.12

В.А.ГОЛЕНДЕР, канд. техн. наук

Гуманитарно-технический институт, г.Харъков Б.М.КОРЖИК, канд. техн. наук, Н.А.ГУБЕНКО

Харьковская национальная академия городского хозяйства

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИЙ (ШУМА) ТРАМВАЙНОГО ВАГОНА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЕГО ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

В рамках продолжения диссертационных исследований и в связи с выполнением договора с Октябрьским депо «Горэлектротанс» рассматривается задача о выборе дина­мической модели вибрирующего трамвайного вагона и излучающего шум с цель разра­ботки теоретико-экспериментальных метода и методики определения путей снижения виброакустической активности подвижного состава трамвая.

Причинно-следственная особенность возникновения вибраций, а следовательно, и излучения шума подвижным составом трамвая на транспортных магистралях городов и промышленных центров, связана в основном с механическими колебаниями трамвайных вагонов [1].

В связи с этим, для снижения нежелательных вибраций и вредно­го шума необходим детальный анализ динамики взаимодействия под­вижного состава (ПС) трамвая с рельсами, как с составной частью верхнего строения пути. Такие исследования, безусловно, требуют корректного построения динамической модели трамвайного вагона, движущегося по неровностям рельсового пути. При чем, и это естест­венно, всегда необходимо экспериментальное подтверждение этой корректности. Только тогда, доведенная до определенного совершен­ства модель становится пригодной для решения практических задач ограничения уровня колебаний (вибраций и шума), и снижения виб­роакустической активности вагона трамвая, как единой системы «тя­говый привод - трамвайный вагон - путь» [2].

В соответствии с техническим заданием Октябрьского депо ХКП «Горэлектротранс», эксплуатирующего вагоны Т-3, потребовалось создать пригодную для теоретико-экспериментальных исследований вибраций и шума линейную дискретную динамическую модель дви­жения трамвайного вагона, с целью связать воедино составляющие исследуемых процессов шумообразования (рис.1). То есть: ПРИЧИНА (воздействие электрической тяги и движение трамвайного вагона по неровному рельсовому пути) - СЛЕДСТВИЕ (динамика переходных процессов и резонансных явлений, сопровождающаяся вибрацией эле­ментов экипажной и ходовой частей ПС) - ПОСЛЕДСТВИЕ (шумоиз-лучение) [3].

Научно-технический сборник №64

 

 

Вибрации вагона

 

Электротяга

-►

Вибрации привода

-►

Шум

Рис.1 - Разомкнутая схема причинно-следственной связи шумоизлучения вагоном трамвая

Как видно из схемы, необходимо различать вибрации самой эки­пажной части и вибрации тягового привода трамвайного вагона.

Известно, что специфические условия эксплуатации трамвайных вагонов характеризуются частыми пусками, торможениями, движени­ем с относительно высокими ускорениями (замедлениями) по неров­ностям рельсового пути. Соответственно, вибрации и шум от движу­щегося в городе трамвая имеют свои особенности воздействия на че­ловека и его среду обитания. К числу этих особенностей, существенно отличающих ПС трамвая от магистрального транспорта, относится постоянно меняющаяся (в зависимости от наполнения пассажирами) масса вагона. Последнее приводит к изменению весового нагружения всего экипажа и особенно его ходовой части, а следовательно, к изме­нениям в широком диапазоне частотного спектра уровней вибраций и излучаемого шума.

Тем не менее, по аналогии с магистральным рельсовым транспор­том, применительно к вагонам трамвая будем различать три вида на-гружения экипажа и его движителя - бандажей колесных пар и рельсо­вого пути. А именно:

статическое, связанное с действием неподвижной массы единицы

ПС;

кинетостатическое, обусловленное перераспределением сил ста­тики в виду ускоренного (замедленного) движения вагона;

динамическое - дополнительное нагружение, возникающее вслед­ствие колебаний и вибраций вагона, движущегося по неровностям рельсового пути.

Кроме того, в контексте исследований вибраций вагона трамвая и излучаемого им шума, как уже отмечалось, следует учитывать и кру­тильную динамику тягового электропривода трамвайного вагона [4].

1. Вертикальная динамика трамвайного вагона. Вполне понят­но, что при оценке статического нагружения элементов трамвайного вагона, и, прежде всего колеса и рельса, нет особых сложностей рас­четного характера. Достаточно рассмотреть на уровне статической определимости схему нагружения всего экипажа, чтобы получить дос­товерные результаты, легко проверяемые экспериментальным путем.

Кинетостатическое перераспределение сил взаимодействия в под­системе "колесо - рельс" также без затруднений устанавливается на основе второго закона Ньютона при учете движения системы с норма­тивными ускорениями (замедлениями). Однако в экспериментальном подтверждении этих расчетов уже возникают некоторые, вообще гово­ря, преодолимые сложности, связанные с точностью измерений уско­рений акселерометрами (ускорениемерами).

Более сложной и трудоемкой является задача определения дина­мических составляющих сил непосредственно в зоне взаимодействия колеса и рельса, воздействующих и на весь экипаж и на верхнее строе­ние рельсового пути в равной степени. Трудности эти обусловлены, прежде всего, тем, что до настоящего времени не существует высоко­точных и надежных методов экспериментального решения этой зада­чи.

В связи с этим в практике решения задач динамики вагонов мно­гие исследователи [5] идут по теоретическому пути - пути наиболее полного включения в модель влияющих факторов: учета инерционных, упругих и диссипативных составляющих сил взаимодействий, в том числе и контактных явлений в подсистеме "колесо-рельс".

Безусловно, что в постановочной части задачи теории, чем боль­шее число параметров включено в вибрирующую динамическую мо­дель трамвайного вагона, тем более точные результаты следует ожи­дать при ее решении. Однако, это утверждение справедливо лишь при условии достоверности первичного материала, на базе которого стро­ится методика исследований вибраций и шумоизлучения динамиче­ской системой. Последняя оговорка особенно существенна для нели­нейных объектов, к которым относится трамвайный вагон.

Усложнение здесь, не подкрепленное достаточной точностью ис­ходных данных, может привести лишь к кажущемуся уточнению, но в то же время создает ощутимые трудности расчетного характера.

В указанном смысле характерно общепринятое для магистрально­го транспорта условное разложение сил взаимодействия в зоне контак­та колеса с рельсом на две составляющие: горизонтальную и верти­кальную, и, соответственно, с исследованием вертикальной и горизон­тальной динамики вагона. Это связано с тем, что на железнодорожном транспорте используют колесные пары, где конусность поверхности катания их бандажей вызывает отклонение суммарной силы взаимо­действия колеса и рельса от вертикали даже для неподвижного вагона. При движении, в связи со сложными пространственными колебаниями и вибрациями рельсового экипажа, это отклонение может быть менее или более значительным, что, в итоге, либо позволяет решать задачувзаимодействия упрощенно, лишь в вертикальной плоскости, либо требует рассматривать ее как пространственную.

На ПС трамвая используют ходовые колеса с бандажами, имею­щими цилиндрическую форму по поверхности катания колесных пар. К тому же скорости движения трамвайных вагонов в сравнении с ма­гистральным транспортом на прямолинейных участках пути не соиз­меримо малы, тем более - на криволинейных участках.

Поэтому при построении модели вибрирующего и излучающего шум движущегося трамвайного вагона можно ограничиться исследо­ванием только вертикальной его динамики (рис.2).

Рис. 2 - Схематическое представление модели вертикальной динамики трамвайного вагона

2. Крутильная динамика тягового привода вагона трамвая. На рис.3 приведена функциональная схема преобразования тяговым электроприводом электрической энергии контактной сети в полезную работу вращения и перемещения инерционных масс трамвайного ва­гона в целом. Это преобразование подчинено основному требованию, - обеспечить относительное постоянство величины крутящего момен­та, развиваемого тяговым электрическим двигателем (ТЭД) при раз­гоне и торможении. Это требование обеспечивают полуавтоматиче­ские органы управления и регулирования режимами (ОУ) движения трамвайного вагона. Согласно схеме момент на валу ТЭД с помощью тяговой передачи (ТП), включающей в себя движитель (ходовые коле­са с рельсами), преобразовывается в тяговое усилие, необходимое для сообщения вагону (В) заданного ускорения (замедления).

ТЭД

ТП

УО

Рис.3 - Функциональная схема преобразования тяговым электроприводом электрической энергии

На рис.4 представлено, как от кинематической схемы привода трамвайного вагона Т-3 (рис.4, а) перейти к динамической модели ее крутильных колебаний (рис.4, б).

Рис.4 - Переход от кинематической схемы к ее динамической модели для крутильной системы тягового привода трамвайного вагона Т-3

Согласно схеме, крутящий момент, развиваемый двигателем (1 -якорь ТЭД), передается через редуктор (4, 5, 6) на подрезиненные ко­леса (упругие связи 7-8 и 8-9). Упругая связь между якорем ТЭД и тя­говым редуктором осуществляется с помощью двухшарнирного под-резиненного карданного вала (2-3). Редуцирование крутящего момента от ТЭД выполняет двухступенчатый редуктор согласно схеме: сначала цилиндрической зубчатой передачей (4-5), затем конической (5-6). Барабан колодочного тормоза (2) расположен на валу ТЭД, и выполня­ет функции служебного и экстренного торможения. Колесные центры (7 и 9) прессовой посадкой посажены на оси колесной пары. Инерци­онная масса (8) имитирует поступательное движение всего вагона.

Конструктивное исполнение тяговой передачи трамвайного ваго­на Т-3 позволяет различным деталям и узлам поставить в соответствие свой дискретный образ, характеризующий инерционные, упругие и диссипативные свойства и, таким образом, перейти от кинематической схемы к соответствующей расчетной динамической модели. В резуль­

сеть

В

б

атате имеем приведенную к валу ТЭД девятимассовую динамическую модель крутильных колебаний привода вагона Т-3 [6].

Термин «приведенная» употреблен здесь в том смысле, что дей­ствительные параметры жесткости, моментов инерции и демпфирова­ния пересчитаны согласно правилам приведения расчетных крутиль­ных систем к валу двигателя.

В первом приближении исследуется движение одиночного вагона на прямолинейном участке пути.

Основные элементы вагона: кузов, тележки, колесные пары и бандажи, обладая полной симметрией относительно продольной плос­кости, совершают вертикальные и крутильные колебания и вибрации.

Связи между основными элементами упруго-диссипативные, с линейными характеристиками.

Источником возникновения колебательных процессов являются кинематическое возбуждение вибраций, связанное с движением трам­вайного вагона по неровностям рельсового пути, определяемое детер­минированным образом, а так же, - с преобразованием вращательного движения элементов тягового привода в поступательное движение вагона.

Движение колеса по рельсу считается безотрывным и без юзового проскальзывания и боксования.

Колеса и уровень расположения головок рельсов находятся в плоскости движения экипажа, с неровностями, одинаковыми для обеих рельсовых ниток.

Таким образом, основываясь на принципе независимого действия сил, справедливого для линейных систем, кинетостатические состав­ляющие нагрузок определяются из рассмотрения равновесия системы при движении с ускорением (замедлением), динамические добавки находятся из решения задачи о колебаниях, как при дискретно равно­мерном движении экипажа по неровному пути.

Исследуются малые вибрации системы относительно одного из положений равновесия.

С учетом принятых допущений и рассмотренных специфических условий эксплуатации трамвайных вагонов решаемые задачи в иссле­дованиях базируются на классических уравнениях Лагранжа второго рода.

1. Губенко В.Д. Исследование процессов шумоизлучения рельсового горэлектро-транспорта с целью снижения их вредного воздействия на организм человека: Автореф. дис.... канд. техн. наук. - Днепропетровск, 1991.

2. Губенко Н.А., Голендер В.А., Губенко В.Д. Виброакустическая активность трамвая, оценка и пути ее снижения // Строительство, материаловедение, машинострое­ние: Сб. науч. трудов. Вып. 28. - Днепропетровск, 2004. - С.242-246.

3. Губенко Н.А., Губенко В.Д. Идентификация основных источников шума рельсо­вого транспорта и методы его снижения // Тези доп. наук.-метод конф. «Безпека життє­діяльності». - Харків, 2003.

4. Губенко Н.А. Перспективы развития трамвайного сообщения в мировой практи­ке // Тези доп. наук.-практ. конф. «Безпека життєдіяльності». - Харків, 2004.

5.Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. - М.: Транспорт, 1986.

6.Голендер В.А., Губенко Н.А., Коржик Б.М. Виброакустическая активность под­вижного состава трамвая, оценка и пути ее снижения // Коммунальное хозяйство горо­дов: Науч.-техн. сб. Вып. 58. - К.: Техніка, 2004. - С.235-239.

Получено 15.08.2005

УДК 530.19

В.Э.АБРАКИТОВ, И.Т.КАРПАЛЮК, кандидаты техн. наук

Харьковская национальная академия городского хозяйства

ГЛОБАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ, ОБЪЯСНЯЮЩАЯ ПРОЦЕССЫ СНИЖЕНИЯ ШУМА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ЗВУКОВОЙ ВОЛНОЙ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД

Сущностью предлагаемой теории снижения шума является признание факта, что ослабление интенсивности звуковой энергии при столкновении звуковой волны с пре­градой происходит за счёт видоизменения векторов колебательной скорости и смещения волны при пересечении границ раздела различных сред, т.е. за счёт преобразования продольной звуковой волны в поперечную, например, при переходе границы раздела сред: "воздух - твёрдое тело" (снижение шума при падении звуковой волны из воздуха на звукоизолирующий экран); за счёт изменения направления векторов колебательной скорости и смещения (преобразование поперечной волны одного типа в поперечную же волну другого типа) при переходе границы раздела двух твёрдых тел с разными физико-химическими характеристиками (снижение шума внутри многослойной звукоизоли­рующей панели типа "сэндвич") и др.

Существует великое множество научных теорий, объясняющих механизм снижения шума в различного рода шумозащитных устройст­вах: звукоизолирующих панелях и экранах, звукопоглощающих обли­цовках и др. [1]. Этот вопрос исследовался в трудах известных учёных-акустиков: Осипова Г.Л., Юдина Е.Я., Сафонова В.В., Самойлюка Е.П. и др., в исследованиях зарубежных авторов, ему посвящены многочис­ленные диссертационные работы, и т. п. В частности, ему была посвя­щена также собственная кандидатская диссертация одного из авторов этой работы [2]. Однако каждый из исследователей, - (в т.ч. и автор настоящей работы в своих ранних трудах [2]), создавая собственную теорию снижения шума, исследует узкую, локальную область прило­жения результатов его исследований. В то же время было бы интерес­но интегрировать их достижения в разных подобластях акустики, соз-

Похожие статьи

В А Голендер - Анализ условий возникновения вибраций (шума) трамвайного вагона и обоснование выбора его динамической модели