ИСТОЧНИКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПОЕЗДА

ИСТОЧНИКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПОЕЗДА

Бубнов Евгений Яковлевич

канд. техн. наук, доц., Волжский государственный университет водного транспорта,

РФ, г. Нижний Новгород

SOURCES OF EXCITATION OF VIBRATION AND ACOUSTIC FIELDS OF THE TRAIN

Evgeny Bubnov

Candidate of tehnical sciences, associate Professor, Volga State University of Water Transport,

Russia, Nizhniy Novgorod

АННОТАЦИЯ

В работе проведен анализ возможных источников возбуждения сейсмических и акустических полей, создаваемых движущимся железнодорожным составом, и дана оценка их амплитудных и спектральных характеристик.

ABSTRACT

The analysis of possible sources of excitation of seismic and acoustic fields created by moving railway composition was carried out and their amplitude and spectral characteristics were estimated.

Ключевые слова: движущийся поезд, механизмы излучения, сейсмические и акустические поля, спектральные характеристики

Keywords: moving railway, sources of excitation, seismic and acoustic fields, spectral characteristics

Движущийся железнодорожный состав представляет собой сложный, распределенный по пространству интенсивный излучатель как сейсмических, так и акустических волн. Уникальность такого излучателя определяется большим количеством физических и технических механизмов излучения, обеспечивающих наличие сейсмоакустических колебаний в широком диапазоне частот от долей до нескольких сотен герц. Сопровождающие движение поезда упругие поля в виде поверхностных и объемных волн несут информацию как о самом излучателе (вибрационные характеристики движущихся частей состава, состояние железнодорожного полотна, и др.) так и о среде распространения (наличие карстовых образований, характеристики слоистости среды). Кроме того, необходимость исследований железнодорожного состава как излучателя сейсмоакустических полей обуславливается проблемой борьбы с виброакустическим загрязнением окружающей среды [1-2].

Основная часть

В настоящем докладе приводится исследование возможных механизмов излучения сейсмоакустических полей железнодорожного транспорта.

Источниками возникновения вибрационных полей в грунте при движении поезда являются постоянные и переменные силовые нагрузки.

Рисунок 1. Источники возбуждения сейсмоакустических полей вагона

Статическая нагрузка – вес железнодорожного состава, распределенный по пространству и приводящий к локальному изменению деформации железнодорожного полотна и грунта в зоне движения поезда (рис. 1). С точки зрения неподвижного наблюдателя движение транспорта приводит к появлению в спектре смещений грунта переменных компонент сигнала. Для приближенной оценки величины длительности T силы, создаваемой движущимся cо скоростью v вагоном длины l, можно воспользоваться соотношением

T = l/v                                                                           (1)

Тогда при характерной длине вагона l = 14 м и скорости движения v = 90 км/ч, T = 0,56с, что будет соответствовать верхней граничной частоте 1,8 Гц. Величины радиального и вертикального смещений грунта, вызванного четырехосным грузовым вагоном, оценим по формуле [4, с. 17].

,                   ,                                             (2)

где w_r –радиальное смещение грунта, w_z – вертикальная деформация грунта, F =2 10⁵ Н–вес, действующий на грунт со стороны одной оси груженого вагона, E = 10⁸ -10¹⁰ Н/м²–модуль Юнга для рыхлых и твердых пород, σ =0,25 – 0,5 –коэффициент Пуассона для твердых и водонасыщенных грунтов.

Подставляя в формулы (2) приведенные величины получаем, что на расстоянии r = 10 м величина вертикального и радиального прогиба грунта составляет 9-53 мкм для рыхлых пород и 0,12-0,4 мкм для твердых пород. Эти значения превосходят электрические шумы  известных сейсмических станций, например ДС-БП.

При равномерном движении постоянная силовая нагрузка, проходя через регулярные неоднородности–шпалы, может вызвать еще один механизм излучения, который называется в электродинамике переходным. Поскольку волновые характеристики балласта и шпал различаются, то в области их контакта происходит локальное изменение напряжений, которое и вызывает распространяющееся сейсмическое поле. Характерная частота изменения вибрационного сигнала определяется формулой (1) и составляет 60 Гц при указанной выше скорости (l –расстояние между шпалами).

Для скоростного железнодорожного транспорта статическая нагрузка может создать еще один вид излучения, когда скорость движения поезда больше фазовой скорости распространения упругих волн в грунте. Следовательно, в некоторых регионах при движении пассажирских поездов могут возникать сейсмические сигналы, имеющие по форме характер N-волны, вызванные переходом источника через сейсмический «барьер». Длительность импульса определяется длиной железнодорожного состава и скоростью движения.

Переменные силовые нагрузки создаются в результате возникающих в ходе эксплуатации отклонений технических параметров железнодорожного состава и имеющихся неровностях железнодорожного пути.

Так в первом случае неравномерный износ окружности колес приводит к появлению на поверхности качения эллипсовидности а также дефекта в виде ползуна. В процессе вращения колеса возникают переменные силы, частота которых определяется по формуле

,                                                                      (3)

где r_к- радиус колеса. При радиусе колеса 0,5 м и заданной выше скорости движения поезда характерная частота изменения силы составляет 8 Гц. При наличии нескольких ползунов в колесах поезда будет происходить энергетическое суммирование спектральных компонент на указанной частоте, и тогда этот механизм может быть значимым.

Во втором случае переменная нагрузка возникает из-за регулярных и случайных неровностей рельсового пути (рис. 1). Причиной регулярных неровностей являются стыки рельс, где величина импульсной силы, создающейся при ударе колеса по стыку, может достигать 5 10⁵ Н [5, с.29]. Спектральный состав этих нагрузок в существенной степени зависит как от пространственного спектра неровностей пути (длины рельсов), так и от частотной характеристики механической системы «вагон-подвижной путь». Импульсная нагрузка, возникающая на стыке рельсов, передается на грунт через колебательную систему «(тележка+колесо)–балласт». В колебательной системе балласт выполняет роль упругого элемента, сглаживающего постоянные и динамические нагрузки. Частота собственных колебаний по расчетам работы [5, c.79] составляет 25–28 Гц. Спектр силовых нагрузок колеса на грунт будет при этом дополнительно трансформироваться за счет процессов повторения ударов на данном стыке другими колесами тележек, что приведет, к интерференционному механизму возбуждения вибрационных сигналов. Зная расстояния между осями тележки, и известной скорости движения состава, следует ожидать значения частот гармоник сейсмических сигналов в диапазоне первой десятке герц.

Для бесстыковых участков железнодорожного пути переменные силы, действующие на грунт, возникают за счет случайных неровностей пути или просадок шпал. Характерная величина этих силовых нагрузок меньше чем на стыках рельс, а спектральный состав как и выше определяется резонансными свойствами системы «(тележка+колесо)–балласт».

Кроме силовых источников, описанных выше, необходимо рассмотреть механизмы возбуждения вибрационных полей за счет преломления акустических волн в твердую среду. В частности, результаты полевых измерений сейсмических полей воздушных источников показывают их сложный волновой состав [7].

В качестве источников возбуждения звуковых сигналов железнодорожного транспорта следует выделить работу двигательной установки тепловоза, создающий дискретный гармонический спектр. Квазипериодический процесс ударов колес на стыках рельс создает непрерывный спектр акустического поля в широкой полосе частот. Кроме того, регулярные и случайные неровности пути вызовут гармонические колебания вагона в диапазоне частот 2–5 Гц [5, c.85] через вторую колебательную систему «тележка-вагон», что создает дипольное излучение вагоном в инфразвуковом диапазоне.

Выводы: В докладе проведен анализ физических механизмов излучения вибрационных и акустических полей железнодорожного транспорта с целью возможной технической диагностики подвижного состава и оценки неблагоприятного воздействия источников на окружающую среду. Получены оценки величин спектральных характеристик рассмотренных источников возбуждения.

Список литературы:

1. Е.Я. Бубнов, В.А. Шемагин, М.И. Гусев, В.Н.Мирошниченко Исследование  дефектов подшипников качения по вибрационным полям // Материалы Шестой Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем Ростов – на - Дону. 2001. С 216–221
2. Е.Я. Бубнов, В.В. Гущин Неконтактная диагностика неисправностей колес вагона движущегося железнодорожного состава по сейсмическим и акустическим полям. Материалы Всероссийской научно – практической конференции: Развитие транспорта в регионах России: Проблемы и перспективы: Киров, 2007. – С.126 – 128
3. E. Ya. Bubnov, V. V. Gushchin «Experimental Study of Several Mechanisms of Generation of Seismic Vibrations by Trains», 7^th International Symposium Transport Noise and Vibration, 8-10 June 2004, St. Petersburg, Russia (pp 11).
4. Рекач В.Г. Руководство к решению задач по теории упругости. М.: Высшая школа. 1977. - 215 с.
5. Вершинский С.В., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагона. М.: Транспорт. 1987. - 352 с.
6. Бубнов Е.Я. Интерференционный механизм возбуждения вибрационных волн в грунте вагоном, движущимся по бесстыковому пути. Материалы IV Международной научно-практической конференции Научно-технические аспекты инновационного развития транспортного комплекса. Донецк. 2018. - С. 58-63.
7. Бубнов Е.Я., Гущин В.В. Упругие поля, создаваемые воздушным транспортом при пролете. Материалы 18 сессии Российского акустического общества, в 3 т. Таганрог. 1, 2006 – С. 311-315.