Проведен анализ неудовлетворительного состояния рельсового пути движения трамвая на участках повышенного шума и вибрации конструкции вагона и подшпального основания. Показано негативное действие на формирование среды городской территории и влияние этих условий на человека. Отмечены преимущества применения электротранспорта. Предлагается системное исследование на основе математической модели источников шума при движении трамвая.
Ключевые слова:городской электротранспорт, подшпальное основание, рельсовый путь, математическая модель, динамический процесс, вибрации, шум, диагностика.
Из всей совокупности маршрутов распределенной городской сети трамвайных путей необходимо установить те, которые в первую очередь нуждаются в восстановительных и ремонтных работах. Однако для решения этой проблемы прежде всего требуется шкала приоритетов с указанием конкретных параметров, характеризующих условия движения и состояния транспортного средства, не соответствующих установленным нормам. Такой системный подход позволяет рационально использовать материальные и денежные ресурсы городского бюджета.
Развитие крупных городов идет быстро, но вместе с этим требуется необходимость обеспечения функционального состояния всех их систем на требуемом уровне и вместе с этим совершенствование системы жизнеобеспечения. Большие промышленные центры, мегаполисы по своей сути представляют собой сложную организованную структуру взаимодействующих механизмов сохранения, стабильности и развития, предназначенных для планирования составляющих в единое динамическое интегрирование с эффективным уровнем управления [2].
Загрязнение атмосферного воздуха, шум, дорожно-транспортные происшествия, заторы на дорогах являются проблемами городов, так как состояние среды определяет уровень качества жизни горожан. Пройдя через десятки веков эмпирического интуитивного и экспериментального развития внутригородского транспорта, современная цивилизация достигла высокого уровня эксплуатируемых транспортных систем, позволяющих удовлетворять потребности общества, комбинируя наилучшим образом отдельные виды транспорта. Диверсификация транспорта явилась прямым следствием эволюции цивилизации с анализом опасности противопоставления человеческого общества и окружающей среды. Каждый сегмент транспортной инфраструктуры и их разноформатность предусматривает выполнение различных функций и использование собственных технологий. Например, автомобильный транспорт обладает явным преимуществом по мобильности, маневренности, индивидуальными энергетическими ресурсами. Однако, для него характерно существенное загрязнение атмосферного воздуха городов и создание условий резкого сокращения для свободного перемещения пешеходов, специального транспорта (скорая помощь, пожарная, строительная техника и т. п.) [6].
Рост уровня шума в городе резко повышает требования к функциональному взаимодействию пешеходов и водителей автотранспортных средств (АТС) — участников движения (УД) с параметрами окружающей среды как ведущего компонента афферентного синтеза в сложном комплексе локомотивной активности. Городской шум один из наиболее распространенных факторов неблагоприятных условий проживания и трудовой деятельности человека. Шум большой интенсивности вызывает прогрессивные заболевания, снижает трудовую деятельность. Шумовое воздействие вызывает интенсификацию свободно радикального окисления в организме человека в процессах жизнедеятельности и развития многих заболеваний. Это связано со снижением эффективности антиоксидантной защиты при воздействии шума на организм и развитию хронического состояния окислительного процесса. В работе [4] приведены экспериментальные данные о зависимости показателей акустическом воздействии, например, при параметрах шума 250 Гц и 80Дб (уровень звука) и 2500 Гц и 80 дБ снижение антиоксидантной деятельности снижение составляет соответственно 7 %и 29 % от исходных значений антиоксидантной емкости. Очевидно, что психофизиологическая и динамическая устойчивость (УД) определяется характеристиками безопасности движения и уровнем комфортности городской среды. Всестороннее исследование по контролю и анализу экосистемы города, наблюдение за изменениями происходящими под воздействием антропогенных нагрузок позволяют оценивать качество среды и разрабатывать превентивные мероприятия по снижению уровня негативных воздействий на человека [3].
Цели данной работы — обосновать необходимость и исследовать возможности метода виброакустической диагностики процесса движения трамвая по участкам рельсового пути для реализации превентивных мер по снижению уровня генерирования шума за пределы допустимых норм.
Город Пермь, расположенный на обширной территории, развивает основные направления организации и эксплуатации общественного транспорта. Это касается и городского электротранспорта (трамвай, троллейбус). На протяжении всей истории трудовой деятельности, строительства и развития города Перми жители стремились создавать безопасные условия с обязательным условием сохранения природных условий. Однако сегодня эта проблема далека от своего окончательного решения. Необходимо отметить, что это развитие ориентировано не только в установлении новых маршрутов и оптимизации траектории движения уже существующей сети, но и в обеспечении инженерных решений, от уровня которых зависит качество и комфортность перевозок пассажиров, усовершенствование уже существующих маршрутов. В ряде случаев на отремонтированных участках трамвайные рельсы положены по новым технологиям с использованием сварных швов, благодаря чему вагоны движутся более плавно, что ведет к снижению шума. Несмотря на масштабность проводимых работ в городе Перми остаются проблемные участки путей, требующие реконструкции и ремонта. Обеспечение снижения шума в условиях города — это системная задача, состоящая в структурировании источников шума и ранжированию их по излучаемой мощности. В состав этой системы, как базиса, входит шум городского электротранспорта. Надежность системы в понимании генерации шума и оценки системы определяется надежностью её компонентов. Процедура снижения шума и принципы обеспечения её работоспособности должна быть корректно связана с элементами системы, т. е. с принципом единичного источника шума [5].
Детальная комплексная шумовая характеристика составляющей в оценке интенсивности негативного воздействия электротранспорта на человека позволяет выявить зоны городской территории различной степени шумового фона и степени его изменения при эксплуатации как подвижного состава так и рельсового пути.
Инновационная активность (ИА) городских властей и бизнеса г. Перми ориентирована на выявление точек роста социально-экономического развития города, и сосредоточение усилий на основных направлениях в локальных сетях инноваций. При этом разработана программа «Пермский трамвай», в рамках которой введены в эксплуатацию 45 вагонов современной конструкции с низкопольным вариантом и запрещено движение автомобилей по трамвайным путям. Перспективным является введение в действие скоростного трамвая. Большое значение играет организация движения, в том числе и эффективное управления транспортными потоками в случаях, когда проводятся ремонтные работы на проезжей части. Это и многое другое делается в целях создания комфортной среды проживания для населения города.
В результате оптимизации маршрутной сети в городе станет на 9 автобусных маршрутов меньше. Об этом стало известно на заседании рабочей группы по оптимизации расходов бюджета на транспорт. По ряду улиц автобусы ходить практически перестанут — приоритетным администрация признает электротранспорт. Так по ул. Мира будут ходить 3 автобусных маршрута. Остальные «сместятся» на шоссе Космонавтов. Троллейбус № 2, проходящий по шоссе Космонавтов, работать не будет — его заместит автобус. Аналогичным образом освобождена под электротранспорт ул. Уральская. Практически все автобусы, проходящие по ней, сместятся на ул. Лебедева. Кроме того, от конечных остановок «разгрузили» центральный рынок, перенаправив часть маршрутов на ул. Мильчакова.
На сегодняшний день подготовлен и проходит правовую экспертизу документ под названием «Единая маршрутная сеть города Перми». В основу формирования маршрутной сети заложен приоритет электротранспорта и сокращение числа дублирующих автобусных маршрутов. Масштабному реформированию транспортная сеть не подверглась. Мы понимаем, что это сложившаяся система. Все крайние точки — такие как Голованово, Заозерье, Соболи и так далее, в нее включены. Из любой точки города можно без пересадок или с одной пересадкой добраться до любой другой точки города. Существующая маршрутная сеть Перми состоит из 74 автобусных (из них 5 — сезонных), 9 троллейбусных и 10 трамвайных маршрутов. В разработанном варианте число автобусов сократится до 65, троллейбусов — до 8 и трамваев — до 9 маршрутов. О необходимости развития электротранспорта в городе свидетельствуют данные об экологической целесообразности работ [6].
Однако специалисты городского электротранспорта характеризуют ситуацию эксплуатация трамвая с учетом силовых и климатических воздействий как недетерминированную. В связи с влиянием различных факторов, носящим случайный характер, количественная оценка параметров процессов движения, технического обслуживания подвижного состава трамвайных путей и электросетей, восстановление, ремонта по всему комплексу инфраструктуры не представляется однозначным. Такие оценки могут быть только вероятностными, характеризующими влияние возможных отклонений от принятых нормативных значений [7].
Учет случайного характера величин и функций, определяющих возможную модель эксплуатации трамвая, представляет собой задачу оценки безопасности и экономичности всего комплекса внутригородского рельсового транспорта. В этом случае анализ меры риска как вероятности недопустимого ущерба вызванного эксплуатации электротранспорта, требует исходной информации на основе осуществленных и установленных фактов наблюдаемых процессов эксплуатации. Для такого рода существенных ограничений авторы рассматривают приближенную модель на основе гипотез: однородные условия, состояния грунта и подшпального основания в виде модели Винклера, удар единичного жесткого колеса для линейной системы, не учитывается работа подвески подрессоренных масс [1].
Авторы в статье исследуют возможности мониторинга и диагностики с интеллектуализацией принятия решения по оценке состояния рельсового пути и генерации шума. Схема движения колеса приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема движения колеса вагона по рельсовому пути: 1 — колесо; 2 — рельс; 3 — шпалы; 4 — подшпальное основание; 5 — зазор между рельсами
Математическая модель представлена в виде дифференциального уравнения динамики движения колеса тележки трамвая по рельсовому пути по Даламберу:
,
где m — масса подвижной части динамической модели; x — коэффициент демпфирования; k — жесткость системы; P0 — амплитуда внешней силы; f(t) — функция изменения нагрузки.
Решение дифференциального уравнения при синусоидальном изменения нагрузки представим в виде:
,
где 
; 
; 
; 
; 
; 
; R — радиус пятна контакта; h — толщина присоединенного слоя подшпального основания; g — удельный вес грунта; g — 9,8 м/с2; m — коэффициент Пуассона материала грунта; E0 — модуль упругости подшпального основания.
Скорость динамического процесса запишем в форме:
.
Ускорение системы приведено в виде:
Были проведены численные эксперименты при задании параметров в виде: P0=20кН; R=2*10–2 м; 𝜇=0,28; ω=1,13; E0=500 Н/м2;h=0,3 м; γ=210 Н/м3; θ=5 … 35 с-1.
На рис. 2. представлено изменение во времени вертикального перемещения подшпалного основания. Время процесса составляет 0,5 секунды, при этом амплитуда вертикальных колебаний уменьшилась в 4 раза. Максимальное значение амплитуды наблюдается при t=0,07 с.
Рис. 2. Вертикальные перемещения подшпального основания
Рис. 3. Изменение виброскорости динамического процесса
Результаты расчетов виброскорости представлены на рис. 3. Максимальное значение виброскорости отмечается в начале процесса и достигает 4 см/c, через 0,5 секунды амплитуда виброскорости уменьшилась в 4 раза. Периоды виброперемещений и виброскорости отличаются на 0,03 секунды, и колебания происходят в противофазе.
На рис. 4 представлены результаты виброускорений подшпального основания, характеризующие инерционные нагрузки. Наибольшая инерционная нагрузка отмечается при времени 0,3 секунды, при этом динамические перемещения равны нулю.
На рис. 5 численный эксперимент демонстрирует значительное снижение виброперемещений рельсового пути при увеличении модуля упругости подшпального основания и частоты внешнего воздействия приводит к уменьшению резонансной амплитуды в два раза.
Рис. 4. Виброускорения подшпального основания
Рис. 5. Виброперемещения рельсового пути и подшпального основания в зависимости от частоты приложенной нагрузки и модуля упругости
Уровень энергии шума определялся по зависимости [9]:
где r и c — плотности среды и скорость распространения звука в ней; S — площадь контакта; V — колебательная скорость излучающей поверхности; J — коэффициент излучения звука.
При температуре воздуха 15° С, ρ=1,255 кг/м3, с=340 м/с, S=0,00012 м2, J=0,5–0,6, V(max)=0,0382 м/с, было получено значение W=0,0037 … 0,0045 Вт.
Были проведены измерения шума при движении трамвая по некомфортному пути на ул. Пушкина между улицами Попова и Борчанинова. С учетом основных требований к определению шума, изложенных в отраслевом стандарте ССБТ ОСТ 24.040.015–79 «Методы определения характеристик шума путевых машин», был выбран прямой участок со значительными зазорами между рельсами (до 30 мм.) без наличия зданий и каких-либо других препятствий между измерительным прибором и трамваем. Измерения проводились с помощью прибора «Многофункциональный измеритель уровня звука SL — 401» с диапазонами измерений 30–130 дБ (А), 32–130 дБ (С), 35–130 дБ (линейной) в диапазоне частот 31,5 Гц … 8 кГц. Погрешность прибора составляет 0,1 дБ, рабочая температура эксплуатации -10° С … +40° С.
Внешний шум последовательно измерялся в двух точках по бокам трамвая, расположенных на расстоянии 7 метров от движущегося вагона по пути 25 метров на высоте от уровня рельса 1,6 метра. Характеристикой внешнего шума принималось значение усредненное по двум точкам. В каждой точке было получено 7 результатов измерений, средняя величина измеряемого шума составила 86 дБ (А). Уровень городского шумового фона измерялся в отсутствии подвижного состава и был равен 54 дБ (А).
Перевод расчетных значений уровня энергии шума в дБ был проведен по данным работы [8,10] и значение уровня шума в дБ составило 81 дБ. Таким образом, разница составила 6 %.
Таким образом, представленная модель позволяет получить предварительную информацию об уровне шума и вибрации движущегося по некомфортному участку пути трамвая, позволяющая установить влияние основных параметров движущейся системы на параметры генерированного шума в целях диагностирования технического состояния комплекса.
Литература:
1. Кычкин В. И., Юшков В. С. Исследование деформационного состояния подшпального основания методом вибрационной диагностики // Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития. — 2012. — № 5. — С. 111–118.
2. Алексеев А. О., Голубев К. В., Гуреев К. А., Харитонов В. А. // Вестник ПГТУ. Урбанистика. — 2011. — № 1. — С. 21–42.
3. Кириленко Ю. И., Филосов В. К., Фомин В. С. Влияние и оптокинетических вестибулярных воздействий на надёжность человека-оператора в системах управления летательным аппаратом // Космические исследования. — 1970. — Том VIII. — Выпуск 3. — С. 476–478.
4. Кочергина К. А., Романовский В. Л. Шумовое воздействие и оксидантный стресс организма // Экология и научно-технический прогресс: материалы VI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Пермь. Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. — С.311–314
5. Жеглов Л. Ф. Вибродиагностика колесных машин: учеб. пособие: М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 135 с.
6. Постников В. П., Дорошенко Р. О. Обоснование необходимости развития пассажирского электротранспорта в крупном городе с точки зрения экологической эффективности // Экология и промышленность России. — 2014. — № 8. — С. 45–48.
7. Трофимов Н. А. Защита от вибрации и шума в промышленности: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т, Пермь, 1999. 144с.
8. СН 2. 2. 4/2.1.8.562–76
9. Иванов Н. И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах. — М.: Транспорт, 1987. 223с.
10. Клячко. Л. Н. Производственный шум и меры защиты от него в черной металлургии. — М.: Металлургия, 1982. 80с.
