CC BY
0УДК: 629.423.004.69+06 OECD: 1.03
Методика расчета ожидаемых уровней шума в помещениях вагона-электростанции восстановительного поезда
Крутова В.А.1, Фролова Д.С.2 1 К/1.н.. доцент, 2Аееиетент 1'2 Кафедра «Основы проектирования машин» ФГБОУ ВО «Ростовского государственного университета путей сообщения», г. Ростов-на-Дону, РФ
Аннотация
Объектом исследования являлись вагоны-электростанции восстановительного поезда железнодорожной отрасли народного хозяйства. Установлено, что в данном типе вагонов находятся дизель-генераторы, являющиеся интенсивным истопником шума. При их эксплуатации возникает вредное виброакустическое воздействие на рабочий персонал, значительно превышающее санитарные нормы. В статье рассмотрены возможности теоретического расчета ожидаемых уровней звукового давления внутри помещений вагона-электростанции. Приведена расчетная схема помещения, учитывающая распространение звука в каждое помещение вагона от источников шума, которыми являются дизель-генераторные установки. В связи со спецификой данных источников шума, не представляется возможным исключить их воздействие путем конструктивного вмешательства в сами конструкции, поэтому обеспечение безопасных условий труда предлагается выполнить путем рационального применения различных материалов на внутренних перегородках.
Ключевые слова: расчетная точка, источник шума, дизель-генераторная установка, интенсивность звука, звуковая мощность, звукопоглощение, звукоизоляция.
Methodology for calculating expected noise levels in the premises of the power
station car of a recovery train
Krutova V.A.1, Frolova D.S.2 1Ph.D., Associate Professor, 2 Assistant 1,2 Department of 'Fundamentals of Machine Design' Rostov State Transport University,
Rostov-on-Don, Russia
Abstract
The object of the study was the power station cars of the restoration train of the railway industry of the national economy It has been established that this type of carriage contains diesel generators, which are sources of excessive noise. During their operation harmful vibroacoustic effects on operating personnel signihcantly exceeding sanitary norms occur. The article discusses the possibilities of theoretical calculation of the expected sound pressure levels inside a power station car. A calculation scheme of work places is given that takes into account the propagation of sound into each room of the car from the noise source, which is diesel generator set. Due to the specific nature of these noise sources, it is not possible to eliminate their impact through constructive intervention of the structures themselves, therefore, it is proposed to provide safe working conditions through improvement of sound isolation of internal partitions.
Keywords: design point, noise source, diesel generator set, sound intensity, sound power, sound absorption, sound insulation.
E-mail: [email protected] (Крутова В.A.), [email protected] (Фролова Д.С.)
Введение
Железнодорожная отрасль занимает лидирующее место в обеспечении перевозки большого количества различных грузов и пассажиров на различные расстояния. Это объяснимо с точки зрения ее эффективности, безопасности и экономичности по сравнению с другими видами транспорта. Один из главных критериев, которому должен соответствовать железнодорожный транспорт, - это его бесперебойность в работе. Достижению этой задачи способствует в том числе оперативное устранение различных аварий, которые возникают в процессе работы железной дороги. При необходимости быстрой ликвидации последствий схода с рельс подвижного состава применяется специально сформированный вид железнодорожной техники - восстановительный поезд, в составе которого находится различное вспомогательное оборудование, в том числе вагоны-электростанции, В функции данных вагонов входят освещение и электрообогрев восстановительного поезда, а также освещение места схода и электроснабжение вспомогательного оборудования,
1. Постановка задачи исследования
В зависимости от типа восстановительного поезда вагоны-электростанции могут иметь различную компоновку, например, могут иметь три или четыре внутренних перегородки, создавая таким образом несколько помещений различного назначения: дизельное отделение, служебное помещение, кухня-салоп, купе для отдыха, бытовое помещение. Дизель-генераторные установки (ДГУ) имеют совокупную мощность в диапазоне 200,,, 600 кВт и располагаются таким образом, что звуковое излучение во время их работы создает неблагоприятные условия труда и отдыха персонала, обслуживающего вагон-электростанцию восстановительного поезда. Воздействие повышенных уровней шума на организм человека широко известно [1-4] и помимо создания угроз возникновения различных болезней, снижает производительность труда. Вопросом исследований влияния шума на эффективность трудового процесса операторов дорожно-строительной техники занимался М, Ренч (ГДР), На основании его трудов доказано, что снижение шума на 10 дБ А увеличивает производительность труда более чем на 10%, Учитывая, что при ликвидации последствий аварий машинист вагона-электростанции должен находиться в максимально сосредоточенном состоянии, воздействие повышенных уровней шума приводит к снижению концентрации внимания, что недопустимо, А также шум, проникающий в бытовые помещения, снижает качество отдыха персонала.
Снижение неблагоприятного воздействия повышенных уровней шума на персонал возможно путем расчета и проектирования системы звукоизоляции внутри вагона-электростанции [5, 6], Основным источником шума (ИШ) на рабочем месте и месте отдыха персонала, обслуживающего вагон-электростанцию, является дизель-генератор. Однако, учитывая, что звуковое поле формируется во внутреннем замкнутом объеме помещения, в котором происходит отражение звука от поверхностей вагона-электростанции (стены, потолок, пол, перегородки и т.д.), интенсивность звука необходимо рассчитывать по формуле (1), исходя из схемы, представленной на рисунке 1 [7, 8].
2. Вывод зависимостей для расчета воздушной составляющей шума
Расчет выполнен с применением метода последовательного преобразования звуковых полей [9].
Рис. 1. Расчетная схема для определения шума на рабочем месте и месте отдыха персонала, обслуживающего вагон-электростанцию: 1 - источник шума (дизель-генераторные установки); 2 - дизельное отделение (помещение 1); 3 - служебное помещение (помещение 2); 4 - кухня-салон (помещение 3); 5 - куне дня отдыха (помещение 4); 6 - перегородка 1; 7 - перегородка 2; 8 - перегородка 3; 9 - расчетные точки
Принятые допущения при расчете:
- во всех помещениях звуковое ноле рассматривается диффузным с поправкой;
- ФдИф - коэффициент, показывающий степень приближения звукового поля к диффузному;
- в нервом помещении рассматривается как прямой, так и отраженный звук, в остальных помещениях рассматривается отраженный звук.
Интенсивность шума в нервом помещении (шум, падающий па перегородку 1):
^пом! 2^0,
Хист + 4 (1 апом 1)
Вт/м2 (1)
_2пГ2 Фпом1Апом1
где Щют - акустическая мощность дизель-генераторной установки, Вт;
Хист _ коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля в тех случаях, когда расстояние меньше удвоенного максимального габарита источника (Я/1тах ) принимают но таблице 1;
г - расстояние от ИШ до перегородки между помещениями 1 и 2, м; аПОм1 _ средний коэффициент звукопоглощения в первом помещении; Фпом1 _ коэффициент, показывающий степень приближения звукового поля в помещении 1 к диффузному (Табл. 2);
^пом1 _ эквивалентная площадь звукопоглощения, м2;
п
А-пом ^ ] Si, (2)
а
г
где - частотно зависимый коэффициент звукопоглощения г поверхности ограждения в помещении 1 площадью Бг (включая поверхности ДГУ);
n - число площадей. Таблица. 1
Значение коэффициента Хит
R/lmax Хист 101#Хист, дБ
0,6 3 5
0,8 2,5 4
1,0 2 3
1,5 1,25 1
2 1 0
где Я - расстояние от ИШ до перегородки, м; 1тах - максимальный размер ИШ, м.
Таблица 2
Значение коэффициента Фпом
апом Фпом 101#Фпом, дБ
0,2 1,25 1
0,4 1,5 2
0,5 2,0 3
0,6 2,5 4
Звуковая мощность, излучаемая перегородкой 1 в помещение 2 представлена следующей формулой:
^^изл -^пом1^пер1^пер1, Вт, (3)
где 5пер1 - площадь перегородки 1, м2;
тПер1 - приведенная (средняя) звукопроводность перегородки 1 (па практике используется приведенная звукоизоляция связанная с звукопроводностью):
Ш=101д1, дБ. (4) т
Значение приведенной звукоизоляции для перегородки:
ЗИпер = 101д т „ 10одзипе ., (5)
/ ^ ипеpi10
где Бпер - площадь перегородки, м2;
$пер; _ площадь 1-го элемента перегородки (дверь, сплошная стена прочее), м2, звукоизоляция которой составляет 311 ,„,,,;. дБ;
т - число элементов перегородки с разной звукоизоляцией.
Интенсивность звука в помещении 2 (принимается допущение о том, что звуковое поле создается отражением):
4ЖИЗЛ1 (1 — «пом 2) т-, /2 1пом2 =-^-т-,Вт/м , (6)
где аПОМ2 _ средний коэффициент звукопоглощения во втором помещении;
Фпом2 ~ коэффициент, показывающий степень приближения звукового поля к диффузному во втором помещении;
^пом2 _ эквивалентная площадь звукопоглощения во втором помещении, м2. Звуковая мощность, излучаемая перегородкой 2 в третье помещение:
— /пoм2Спep2тпep2, Вт, (7)
где $пер2 _ площадь перегородки 2, м2;
тпер2 - приведенная звукопроводимость перегородки 2, Интенсивность звука в помещении 3:
4Жизл2 (1 — «помз) /2 /0ч
/помз —-ф-д-,Вт/м , (8)
где апомз _ средний коэффициент звукопоглощения в помещении 3;
Фпомз _ коэффициент, показывающий степень приближения звукового поля к диффузному в третьем помещении;
Апомз _ эквивалентная площадь звукопоглощения в третьем помещении, м2. Звуковая мощность, излучаемая перегородкой 3 в четвертое помещение:
'ЖизлЗ -^омЗ^перЗ^перЗ, Bт, (9)
где £перз - площадь перегородки 3, м2;
Тперз _ приведенная звукопроводимость перегородки 3, Интенсивность звука в расчетной точке помещения 4:
4жизлз (1 — ^и4) Т-, ,2 /1П\
^т —-ф-д-,Вт/м , (10)
где аПОМ4 _ средний коэффициент звукопоглощения в помещении 4;
Фпом4 _ коэффициент, показывающий степень приближения звукового поля к диффузному в четвертом помещении;
АП0М4 _ эквивалентная площадь звукопоглощения в четвертом помещении, м2. Подставляя выражения (1), (3), (6)-(9) в (10), получим:
/ргр — 2 Ж
хист + 4 (1 апом 1 )
x
(П)
X
2пг2 Фпо м^^пом 1
Спер1тперI4 (1 апом2) Спер2тпер24 (1 апом3) Спер3тпер34 (1 апом4)
Фпом 2 Апом 2 Фпом 3Апом зФпом 4 Апом4
Разделим обе части уравнения (11) на стандартный шумовой порог интенсивности звука /0 — 10-12 Вт/м2 и прологарифмируем обе части, сделав преобразование с учетом (4), получим уровни звукового давления в расчетной точке:
— ^ Wиcт + 10/0
Хист + 4 (1 апом1 ) 2пГ2 Фпо
£ _
+ 10/0 Р1 - ЗИпер1 - 10/0Фп0м2 +
апо м2
£ _
+ 10/0 (1 - ап0м2) + 10/0 ,пер2 - ЗИпер2 - 10/0Фп0мз + 10/0 (1 - ап0мз) + (12)
апо м3
С _
+ 10/0ЗИПерз - 10/0Фп0м4 + 10/0 (1 - апом4) + 10/02-43, дБ,
апо м 4
где - уровни акустической мощности источника, дБ,
На основании полученных формул произведем пошаговый расчет ожидаемых уровней звукового давления на рабочих местах обслуживающего персонала вагона-электростанции восстановительного поезда (Табл. 3),
Таблица 3
Расчет ожидаемых УЗД на рабочих местах
Наименование, параметр Рассчитанные УЗД, дБ, значения параметров в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ьтт (эксперимент) 102 104 101 101 98 93 85 82
апом1 0,1 0,15 0,18 0,2 0,25 0,27 0,25 0,25
Фпом1 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
Апом1 16,4 24,6 29,5 32,8 41 44 41 41
2х;п + ],дв -5 -7 -7,5 -8 -8,5 -9 -8,5 -8,5
—ЗИпер1 (эксперимент) -5 -6 -5 -7 -7 -8 -8 -9
«пом2 0,08 0,12 0,15 0,22 0,24 0,25 0,3 0,21
Фпом2 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
апом2 4,5 6,7 8,4 12,3 13,4 14 16,8 15
10/д 1И2'ДБ 3,6 3,4 1 -0,7 -1 -1 -2 -1,5
— 10/дФп0М2, дБ -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
101д (1 — ап0М2) -0,5 -0,5 -0,7 -0,8 -1,2 -1,2 -1,5 -0,8
—ЗИпер2 (эксперимент) -7 -6 -8 -И -12 -9 -10 -10
апомЗ 0,09 0,11 0,16 0,2 0,25 0,25 0,29 0,25
ФпомЗ 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
АпомЗ 3,7 4,5 5,5 8,2 10,2 10,2 11,9 10,8
10/д ¿">дБ 4,5 3,6 2,8 1 0 0 -0,5 0
— 10/д^м3, ДБ -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
10/д (1 — апои3) -0,5 -0,5 -0,7 -0,8 -1,2 -1,2 -1,5 -1,2
апом4 0,12 0,15 0,2 0,25 0,29 0,33 0,3 0,25
Фпом4 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
апом4 5,4 6,7 9 11,2 13,5 14 13,5 11,2
10/д ¿:;>дБ 2,8 2 0,6 -0,3 -1,1 -1,2 -1,1 -0,4
— ЗИпер3 -5 -6 -6 -6 -7 -7 -7 -5
—10/дФо0„4, дБ -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
101д (1 — ап0м 4) -0,5 -0,7 -1 -1,2 -1,5 -1,7 -1,5 -1,2
10/д2-43, дБ 18 18 18 18 18 18 18 18
Ьрт1 (расчет) 95 86 82 71 64 61 52 47
ЬРТ2 (норма) 83 74 68 63 60 57 55 54
— ¿рх2 (прогноз превышения УЗД) 12 12 14 8 4 4 -3 -7
ЗИ перегородки, дБ 15 18 20 20 22 22 24 27
Ьртз (после применения материалов) 83 73 67 68 59 47 46 24
¿р^З — (прОГНОЗ снижения УЗД) 0 -1 -1 -5 -1 -10 -9 -30
По результатам расчета, приведенным в таблице 3 (Ьр<Г2), произведен сравнительный анализ продольно допустимых уровней звукового давления (УЗД) в октавпых полосах частот па рабочих мостах и мостах размещения обслуживающего uepcona.ua специального подвижного состава с расчетными значениями УЗД па рабочих местах. Как показали данные в диапазоне 63... 250 Гц превышения достигают 14 дБ. В диапазоне 500... 2000 Гц происходит спад уровней звукового давления с 8 дБ до 4 дБ. И только в области высоких частот (4000 - 8000 Гц) превышения над санитарной нормой
63 - 200
Гц составляет 4 - 14 дБ. Для обеспечения санитарных норм рекомендуется увеличить звукоизоляцию внутренних перегородок с помощью эффективных звукоизоляционных материалов.
Устройство перегородки (Рис, 2) внутри вагона-электростанции предлагается выполнять в следующем виде: па стальную основу кренится минераловатная плита «Вибростек - ¥300 с1 Нс1 Нвв перфорированная дублированная винилискожа (серой).
I
ш
Рис. 2. Устройство перегородки вагона-электростанции: 1 - стальной лист; 2 - «Вибростек - ¥300»; 3 -минераловатная плита; 4 - перфорированная дублированная винилискожа (серая)
По результатам применения более эффектных звукоизоляционных материалов для перегородки внутри вагона-электростанции, получены усредненные значения звукоизоляции перегородки и УЗД на рабочих местах. Расчет показал, что уровни
звукового давления после применения звукоизоляционных материалов (Ьртз) ниже допустимых во всем нормируемом диапазоне частот (Табл. 3),
Заключение
Получены теоретические зависимости, которые позволяют произвести расчет ожидаемых уровней шума в различных помещениях вагона-электростанции восстановительного поезда, учитывая особенности компоновки вагона-электростанции, расположения источника шума относительно рабочих мест и мест отдыха персонала, параметров дизель-генераторной установки. Приведенные выражения позволяют оценить необходимую звукоизоляцию и привести фактические значения уровней звука в соответствие предельно допустимым нормам как на этапе проектирования новых вагонов-электростанций, так и на этапе модернизации существующих.
Список литературы
1. Способы снижения шума и вибрации на этапах проектирования, производства и эксплуатации железнодорожного транспорта : монография / И, В, Колесников, С, Ф, Подуст, С, С, Подуст, А, Н, Чукарин ; под общей редакцией академика РАН В, И, Колесникова. - Москва : ВНИТИ РАН, 2015. - 216 с. - ISBN 978-5-902928-53-9.
2. Снижение шума железнодорожного транспорта / Н. И. Иванов, Д. А. Кук. шн. П. В. Матвеев, М. В. Буторина // Приложение к журналу «Безопасность жизнедеятельности». - Москва : Новые технологии, 2012. 12. - С. 1-23.
3. Баланова М.В. Анализ акустических факторов в восстановительных поездах и мероприятия по снижению негативного воздействия / Баланова М.В., Финоченко Т.А., Юдаков П.Ю., Яицков И.А. // Сборник научных трудов «Современное развитие науки и техники», Наука-2017 T.1 Технические и естественные науки, РГУПС. Ростов-на-Дону, 2017 - с. 278 -283
4. Финоченко Т.Д.. Яицков И.А. Достойный труд - безопасный труд / Всеросс. национ, науч.-практпч. конф. «Теория и практика безопасности жизнедеятельности», научно-технич, журнал: Труды РГУПС. 2018..Y" 2. с. 5-6
5. Шашурин А.Е. Звукопоглощающая панель для шумозащитной конструкции/ Шашурин А.Е., Заплетников H.H.. Кириченко В.А., Иванов H.H.. Бужинекий К.В., Светлов В.В., Бойко Ю.С./ Патент на полезную модель EU 171794 Г 1. 16.06.2017. Заявка № 2016141361 от 20.10.2016.
6. Шашурин А.Е. Определение эффективной высоты и акустических характеристик шумозащитного экрана /Noise Theory and Practice. 2018. Т. 4. № 2 (12). С. 5-10.
7. Фролова, Д.С. Теоретические зависимости воздушной составляющей шума вагонов-электростанций / Д. С. Фролова // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2022. — Jfe 4 (88). - С. 227-232. - DOI 10,46973/0201-727Х_2022_4_227.
8. Фролова, Д. С, Теоретическая оценка акустических характеристик в вагоне-электростанции восстановительного поезда / Д. С. Фролова, В. А. Крутова // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2022. - 4. - С. 111-115. - ISSN 1818-5509.
9, Иванов, И, И, Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом : учебник / И, И, Иванов, - 5-е изд. - Москва : Логос, 2017, - 432 с, - ISBN 978-5-98704659-3.
References
1. Methods for reducing noise and vibration in railway transport at design, production and operation stages: monograph / I, V, Kolesnikov, S, F, Podust, S, S, Podust, A, N. Chukarin; under the general editorship of Academician of the Russian Academy of Sciences V.I. Kolesnikov. - Moscow: VNITI EAS, 2015. - 216 p. - ISBN 978-5-902928-53-9.
2. Railway transport noise reduction / N. I. Ivanov, D. A. Kuklin, P. V. Matveev, M. V. Butorina // Supplement to the journal "Life Safety". - Moscow: New technologies, 2012. -No. 12. - P. 1-23.
3. Balanova M.V. Analysis of acoustic factors in recovery trains and measures to reduce negative impacts / Balanova M.V., Finochenko T.A., Yudakov P.Yu., Yaitskov I.A. // Collection of scientific works "Modern development of science and technology", Seienee-2017 Vol.1 Technical and natural sciences, EGUPS. Rostov-on-Don, 2017 - p. 278 -283
4. Finochenko T.A., Yaitskov I.A. Decent work - safe work / All-Russian National Scientific-practical Conf. "Theory and practice of life safety", scientific and technical, journal: Proceedings of RGUPS. 2018.№ 2. p. 5-6
5. Shashurin A.E. Sound absorbing panel for noise reduction construction/ Shashurin A.E., Zapletnikov I.N., Kirichenko V.A., Ivanov N.I., Buzhinskv K.V., Svetlov V.V., Bovko Yu.S. Patent for utility model RU 171794 Ul, 06/16/2017. Application No. 2016141361 dated 10/20/2016.
6. Shashurin A.E. Determination of the effective height and acoustic characteristics of the noise barriers. Noise Theory and Practice. 2018. Vol. 4. No. 2 (12). pp. 5-10.
7. Frolova, D.S. Theoretical dependences of the air component of the noise of power train cars / D. S. Frolova // Bulletin of the Rostov State Transport University. - 2022. - No. 4 (88). - pp. 227-232. - DOI 10,16973 0201-727X^2022^ 1^227.
8. Frolova, D. S. Theoretical assessment of acoustic characteristics in the power station car of a recovery train / D. S. Frolova, V. A. Krutova // Proceedings of the Rostov State Transport University. - 2022. - No. 4. - P. 111-115. - ISSN 1818-5509.
9. Ivanov, N. I. Engineering acoustics. Theory and practice of noise control: textbook / N. I. Ivanov. - 5th ed. - Moscow: Logos, 2017. - 432 p. - ISBN 978-5-98704-659-3.
