CC BY
81
Говердовский В. Н., Трофимов А. Н. УДК 62-752
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ВИБРОЗАЩИТЫ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ВВЕДЕНИЕ
Защита человека и техники от вредного и опасного воздействия вибраций, особенно инфра-низкочастотных, генерируемых движущимся подвижным составом, есть одна из наиболее трудно решаемых проблем железнодорожного транспорта. Проблема сохраняется, несмотря на значительные усилия в данной области. И, как показывают исследования, она усиливается с переходом на скоростной и высокоскоростной транспорт [1].
Железнодорожная виброзащитная система (ВЗС), в общем случае, может быть условно представлена тремя основными каскадами (рис. 1).
Рис. 1. Схема многокаскадной железнодорожной ВЗС: 1 - железнодорожное полотно (станционная платформа); 2 - система подрессоривания тележки; 3 - упругая подвеска сиденья машиниста.
Каждый из каскадов имеет интегральную жесткость: железнодорожное полотно - к1Е, система подрессоривания локомотивной (вагонной) тележки - к2^, подвеска, например, сиденья машиниста, контейнера виброчувствительного оборудования или перевозимого груза - к32.
Наиболее эффективным методом снижения инфра- и низкочастотных вибраций является минимизация жесткости упругих связей ВЗС [2]. По-
этому, в случае железнодорожной ВЗС, показанной на рис. 1, необходимо выполнить условие:
3 / 3
к=П кл Z^ min. (1)
1=1 / 1=1
В статье рассматриваются вопросы нормирования вибрационного воздействия, в частности, на человека со стороны железнодорожного подвижного состава. Далее анализируется эффективность традиционных методов и средств виброзащиты на обычных и высоких скоростях движения.
Показывается, что, если основными структурными элементами упругих связей ВЗС являются жесткие металлические и пневматические пружины [3], а также вязкие демпферы [4], то условие (1) невыполнимо. В заключение, обсуждаются перспективы решения проблемы инфранизкоча-стотной виброзащиты, если применить в ВЗС механизмы с «отрицательной» жесткостью [5-7].
1. НОРМИРОВАНИЕ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА КАК ЭЛЕМЕНТ ВЗС
За основу приняты нормативные документы: международный, ISO 2631 [8], и российский, ГОСТ 31248-2004 [9], стандарты. Последний регулирует (регламентирует): (а) предельно допустимые значения виброускорений на сиденьях членов бригад всех типов магистральных и маневровых локомотивов с электрическими и дизельными двигателями, а также поездов метрополитена и путевых машин; (б) требования к обеспечению безопасных условий труда машинистов в условиях длительного вибрационного воздействия.
Так как фактическая продолжительность смены бригад достигает 12-15 часов, а продолжительность пребывания других групп технического персонала и пассажиров внутри объектов подвижного состава составляет 2,5-24 часа, то предельные
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
нормы вибрационного воздействия могут быть представлены следующим образом (см. рис. 2).
4,0 6,3 10 Частоты, Гц
Рис. 2. Нормы воздействия на человека-оператора вертикальных (—) и горизонтальных (--) вибраций, при различном времени экспозиции
Движущиеся рельсовые транспортные средства генерируют прогнозируемые, но сложные по составу и форме пространственные колебания, вид которых зависит от рельсового пути, конструкций транспортного средства и упругих связей ВЗС.
Для обычных железнодорожных транспортных средств диапазон частот вибраций, которые снижают функциональный комфорт технического персонала и пассажиров, составляет 0,5-20 Гц (вертикальное направление) и 0,5-10 Гц (горизонтальные направления). Для скоростных и сверхскоростных рельсовых транспортных средств, а также для составов с отклоняющейся подвеской может наблюдаться также вертикальная составляющая в диапазоне частот 0,1-0,5 Гц [10].
На рис. 3 показаны результаты измерения вибраций участка грунта на расстоянии 7,5 м от продольной геометрической оси рельсового пути, при движении поезда со скоростями 70 и 200 км/ч [10]. Здесь же, для сравнения, показаны максимально допустимые уровни вибраций при различной продолжительности пребывания человека внутри движущегося подвижного состава (рабочего дня) [9]. Как видно, с переходом на высокие скорости вибрации растут многократно и, соответственно, многократно превышены допустимые уровни вибрационного воздействия.
На рис. 4 показаны результаты измерения вибраций пола в пассажирском вагоне при движении поезда со скоростью 120 км/ч [9]. Здесь же, для сравнения, даны максимально допустимые уровни вибрационного воздействия на человека, находящегося внутри движущегося вагона [10].
Рис. 3. Сравнение интенсивности вибраций и норм вибрационного воздействия: 1 и 2 - вертикальные вибрации грунта при скоростях движения 70 и 200 км/ч; 3 и 4 - нормы вибраций при продолжительности рабочего дня 12 часов и 2,5 часа
Рис. 4. Сравнение интенсивности вибраций и норм вибрационного воздействия: 1 - вертикальные вибрации пола вагона при скорости движения 120 км/ч; 2 и 3 - нормы вибраций при продолжительности пребывания человека в вагоне 12 часов и 24 часа.
По-видимому, на скоростях движения, начиная со 120-145 км/ч, вибрации существенно превышать допустимые нормы. В результате, снижается функциональный комфорт человека-оператора объекта подвижного состава (например, машиниста локомотива или моторвагона). Это ведет к принятию человеком-оператором ошибочных решений и, соответственно, к снижению безопасности движения скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта.
2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАСКАДОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ВЗС
2.1. Виброзащитные свойства железнодорожного полотна. Основным методом виброзащиты железнодорожного полотна является виброизоляция грунта от рельсошпальной решетки, а также рельсов от шпал с применением встраиваемых металлических, пневматических, резинокорд-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ных и комбинированных упругих элементов [10]. Чем ниже жесткость упругих связей между элементами полотна, тем ниже собственная частота данного каскада и всей железнодорожной ВЗС:
f = ± k^ = J_ 0 2п\ M 2п\
ngg
z c„
(2)
где М - общая подрессоренная масса; п е (0; 1] - коэффициент гравитации; ^ - ускорение свободного падения; ^ - рабочий ход упругих связей каскада; са - коэффициент ассиметрии хода.
Однако уменьшение жесткости упругих связей, состоящих из комбинаций обычных упругих элементов, ограничивается допустимыми статическими смещениями элементов каскада и всей ВЗС при движении поезда. Это ясно, если выполнить несложные расчеты, используя условие (1).
На рис. 5 показаны наиболее перспективные решения системы виброизоляции железнодорожного полотна, имеющей жесткость к^.
Рис. 6. Эффективность использования виброизолирующих платформ GERB [11]: 1 и 2 - вибрации до и после установки платформ, соответственно.
2.2. Виброзащитные свойства локомотивной (вагонной) тележки. Для защиты человека и технических объектов от вредного воздействия вибрации, применяют пассивные и активные (для скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта) виброизолирующие механизмы, устанавливаемые в тележки подвижного состава. Основными упругими элементами таких механизмов являются сочетания металлических, пневматических, резинокордных и комбинированных пружин, а также фрикционных и гидравлических демпферов [3].
Несмотря на разнообразие конструктивных решений, можно выделить два основных вида рессорного подвешивания локомотивных и вагонных тележек (см. рис. 7).
Плавающее основание пути
Рис. 5. Конструктивные решения системы виброизоляции железнодорожного полотна.
Слой щебня формирует естественный упругий элемент. Поэтому перемещения платформы, при обычной (высокой) жесткости рельсовой подушки, вызывают рост вибраций. Для устранения этого недостатка, используют «мягкие» опорные плиты. Возможности снижения жесткости таких плит ограничивается, однако, боковыми смещениями рельсов. Существует множество конструктивных решений платформы, предотвращающих недопустимые вертикальные смещения рельсов, а также их вращение и уширение колеи [10].
Как следует из примера, приведенного на рис. 6, виброизолирующие платформы могут быть весьма эффективны для защиты от вибраций в диапазонах низких и средних частот.
Рис. 7. Основные типы систем локомотивных и вагонных одоступенчатое; б) двухступенчатое.
подрессоривания тележек: а)
Одноступенчатое рессорное подвешивание применяют, в основном, в грузовых вагонах. Двухступенчатое рессорное подвешивание применяют в локомотивах и пассажирских вагонах. Первая ступень располагается между осью колесной пары и рамой тележки, второе - между рамой тележки и надрессорной балкой [10, 12].
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
(1)
(2)
(3)
Comfort Ride, Inc. (США)
(2) и (3) типов
ISRI Seats (Австралия); KAB//Seating (Англия); Grammer AG (Германия); K. Maskin (Норвегия); Industrial Seats Co., Motion Master, National Seating, Seats Inc. (все - США)
Рис 8. Подвески для сидений машинистов локомотивов и моторвагонов
Подвески расположены в порядке увеличения их сложности. Это связано с тем, что разработчики обращаются, с течением времени, к сложным многозвенным механизмам, чтобы добиться более высоких показателей качества виброзащиты. В частности, минимизируют горизонтальные (нежелательные) перемещения выходного звена подвески. Или стремятся обеспечить пространственную виброзащиту за счет введения дополнительных степеней свободы выходного звена.
Поскольку удельные упруго-диссипативные свойства структурных элементов «обычных» подвесок сидений систем аналогичны характеристикам элементов систем подрессоривания тележек, то трудно ожидать каких-либо существенных отличий и в качестве виброзащиты. Это подтверждает, в частности, рис. 9, иллюстрирующий эффек-
Чтобы оценить виброзащитные качества систем подрессоривания тележек, обратимся вновь к рис. 4. Здесь отчетливо видны достоинства и недостатки подобных ВЗС. Прежде всего, подобные системы наименее эффективны в диапазоне ин-франизких частот 6-12 Гц (резонансные частоты сердца, органов пищеварения и др.). Очевидно, что, с ростом скоростей движения, традиционные системы подрессоривания тележек не смогут справиться с задачей обеспечения инфрачастотной виброзащиты человека или техники.
2.3. Виброзащитные свойства подвесок сидений для машинистов. На рис. 8 показаны подвески виброзащитных сидений, применяемых в кабинах машинистов всех типов локомотивов и мотор-вагонов [7]. Несмотря на значительное количество конструктивных особенностей, можно различить не более трех-четырех основных типов подвесок.
тивность «обычной» подвески, применяемой в сиденьях машинистов локомотивов [9].
0,5
0,4
„- 0,3
0,2
а
ю
0,1
0,01
N \ '
\ '
V /
/1 \ » ^
1 ! \
Л \
\ / у Ч-
___ \ ^
1,0
1,6
2,5
4,0
6,3 10 Частоты, Гц
16
25
40
Рис. 9. Эффективность ВЗС сиденья, при движении поезда со скоростью 120 км/ч: 1 и 2 - вертикальные составляющие вибраций на полу локомотива и на подушке сиденья машиниста
Как следует из представленных результатов, подобные подвески обеспечивают высокое качество виброзащиты на частотах 12-16 Гц и выше. Однако на инфрачастотах «обычные» подвески либо недостаточно (с точки зрения санитарно-гигиенических норм вибрационного воздействия) эффективны, либо вовсе усиливают входной вибрационный сигнал. Поэтому нет сомнения, что, с ростом скоростей движения, традиционные («обычные») подвески сидений также не решат задачу обеспечения инфрачастотной виброзащиты человека, находящегося в движущемся поезде (машинисты, помощники машинистов, др. технический персонал, а также пассажиры).
3. МЕХАНИЗМЫ С «ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ» ЖЕСТКОСТЬЮ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ВЗС: ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ИХ ЭФЕК-ТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ
3.1. «Отрицательная» жесткость в подсистеме «железнодорожное полотно - локомотивная (вагонная) тележка». Механизмы, способные генерировать эффект «отрицательной» жесткости: рычажные, кулачковые, электромагнитные и др. получили заметное развитие с тем чтобы быть использованными в различных каскадах железнодорожной ВЗС. Для каскадов, условно обозначенных на рис. 1 как 1 и 2, наиболее эффективной представляется ВЗС, ближайшим аналогом которой является подвеска Maglev [13]. Магнитоплан или Maglev — поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами (рис. 10).
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис.10. Схемы магнитной подвески поезда М^1еу
Maglev, в отличие от традиционных поездов, при движении не касается поверхности монорельса. Между поездом и поверхностью движения (полотном) имеется регулируемый зазор. Поэтому нет трения; единственная тормозящая сила - аэродинамическое сопротивление. Скорость, достигаемая поездом Maglev, сравнима со скоростью самолёта. Это позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на расстояниях до 1000 км. Теоретически, управляемая магнитная подвеска Maglev может снизить инфра- и низкочастотные вибрации до сколь угодно малого уровня. Однако экономические и технические ограничения не позволяют ей занять конкурентоспособную «нишу» среди других видов рельсового транспорта. В частности, Maglev не может использовать современную транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсами обычной железной дороги или под полотном автотрассы.
С середины 1960х годов ведется также разработка рычажных, рычажно-кулачковых, пружинных и комбинированных виброизолирующих механизмов для железнодорожных ВЗС, способных, при определенных условиях нагружения и деформирования их упругих связей, генерировать эффект «отрицательной» жесткости. По-видимому, впервые опытный образец подобного механизма для локомотивной тележки разработан и испытан на электровозе ВЛ8 [14]. Схема такого механизма показана на рис. 1 1.
Это - рычажный механизм с корпусом (стойкой) из пружинной стали, а его рычаги образуют между собой и корпусом высшие кинематические пары. Подобные механизмы, при отсутствии ограничений на размеры, могут снижать вибрации в диапазоне частот от 1,5-2 Гц и выше, при установившемся движении с малыми амплитудами.
Однако, виброзащитные свойства таких механизмов нестабильны из-за сил сухого трения, а сами механизмы недолговечны. Кроме того, при увеличении амплитуд относительных перемещений элементов механизмов, например, на переходных режимах движения структура механизмов изменяется, что проводит к усилению вибраций. Опытный образец механизма с «отрицательной» жесткостью имел ряд других существенных недостатков. В частности, горизонтальные (распорные) силы в упругом корпусе механизма достигали 350-400 тысяч ньютонов в положении статического равновесия ВЗС. При таких нагрузках, в шарнирах возникали значительные силы сухого трения, вызывавшие быстрый износ шарниров. Кроме того, механизм был массивен, имел большие габариты. Но основными недостатками подобных механизмов являются переменная, но неуправляемая механическая структура и значительная интегральная жесткость несущих упругих связей ВЗС, которая практически нивелирует эффект «отрицательной» жесткости и делает ВЗС нечувствительной к регулировкам. Недостатки вызывают сомнение в целесообразности использования подобных механизмов и, соответственно, в их пригодности к воспроизводству и эксплуатации.
Наряду с вышеизложенным экспериментом, известны также попытки разработать механизмы с «отрицательной» жесткостью для модернизации тележек скоростного железнодорожного транспорта. В частности, работа [15] посвящена разработке общих требований к системе подрессорива-ния грузового полувагона для скоростей движения до 150 км/ч.
СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ
3.2. Применение эффекта «отрицательной» жесткости в подвесках сидений машинистов.
История создания виброизолирующих механизмов с «отрицательной» жесткостью для операторов машин, в частности, машинистов рельсового транспорта, берет свое начало также в 1960х. За прошедшее время создано немало оригинальных конструктивных решений, описанию которых посвящена обширная литература [5-7, 14-17]. Схемы наиболее удачных из них, т.е. работоспособных, представлены в таблице 1.
Таблица 1 Схемы виброизолирующих механизмов с «отрицательной» жесткостью [7]
Структурная схема механизма Метод синтеза. Условие подвижности в направлении «отрицательной» жесткости
V) 2 1 Синтез избыточной кинематической цепи (ИКЦ), содержащей, по меньшей мере, звенья 4-5 и связанной со звеном 2 основной кинематической цепи (ОКЦ) и упругими связями и 2'+) «положительной» жесткости. Общая неустойчивость ИКЦ.
3 2 ^^ ■ Ч \ 4 2(+) Синтез ИКЦ, содержащей, по меньшей мере, звенья 3-4 и связанной со звеном 2 ОКЦ и упругими связями и 2(+) «положительной» жесткости. Локальная неустойчивость ОКЦ.
существенно ухудшаются, либо вовсе не реализуются при незначительных отклонениях статической нагрузки от расчетных значений и, как следствие, увеличения жесткости подвески.
Проведены сравнительные путевые испытания серийных и опытных сидений, снабженных подвесками с механизмами «отрицательной» жесткости. Испытания проводились на электровозе ВЛ82К (в первой по ходу кабине), при движении в режиме тяги, с поездом весом 3500 т на прямых участках пути, со скоростью 80 км/ч [17]. Испытания показали возможности опытных сидений по снижению вибраций до санитарно-гигиенических норм в отдельных полосах инфранизких частот. Если вертикальные составляющие вибраций на подушке сиденья машиниста удалось частично снизить до норм, то, как следует из рис. 12, горизонтальные (поперечные) составляющие превышают нормы. Кроме того, результаты этих и других испытаний опытных сидений для машинистов тягового подвижного состава различных моделей показали, что виброзащитные свойства сидений
Рис.12. Испытания сиденья, снабженного опытным образцом подвески с «отрицательной жесткостью»: 1 - результаты испытаний; 2 и 3 - нормы вибрационного воздействия на человека при продолжительности рабочего дня 2,5 часа и 12 часов
Наряду с этим, разработчики выявили ряд конструктивных недостатков подвесок, схематика которых представлена в таблице 1. Отсюда - несколько резонансных пиков на динамической характеристике ВЗС, вызванных конструктивными недостатками. Но главное, это - значительная величина интегральной жесткости упругих связей ВЗС предложенного типа, которая существенно нивелирует эффект «отрицательной» жесткости. Кроме того, ВЗС неустойчива на частотах 0,5-1 Гц, что, несомненно, исключает возможность эксплуатации такой системы, если нет активного управления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Традиционные железнодорожные ВЗС имеют высокое качество защиты от общей вибрации в диапазоне частот 12-16 Гц и выше. Вместе с тем они неэффективны на инфрачастотах (0,5-10 Гц), которые являются наиболее вредными и опасными для человека, а также ряда технических объектов. Поэтому такие ВЗС не соответствуют требованиям стандартов, регламентирующих уровни вибрационного воздействия, при которых возможны функциональный комфорт человека и нормальная работа технических объектов на железнодорож-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ном транспорте при «обычных» скоростях движения. Тем более, традиционные ВЗС непригодны для использования в скоростном и высокоскоростном железнодорожном транспорте без модернизации или создания принципиально новых технических решений для защиты от вибраций, особенно в диапазоне инфрачастот.
Системы, способные генерировать свойство «отрицательной» жесткости, имеют неограниченные возможности повышения качества ВЗС во всем диапазоне частот вибраций, включая наиболее проблемные инфрачастоты. Вместе с тем, развитие систем с «отрицательной» жесткостью и механизмов на их основе для железнодорожных ВЗС происходило, главным образом, эмпирически. В настоящее время, процесс создания перспективных железнодорожных ВЗС с механизмами «отрицательной» жесткости находится на той стадии, которая не позволяет подобным системам конкурировать с традиционными ВЗС как по качеству виброзащиты, так и технологичности в области проектирования и эксплуатации. Поэтому необходимы методы рационального и оптимального проектирования (структуры, геометрии, прочности, средств управления) виброизолирующих механизмов с «отрицательной» жесткостью, которые могли бы технически и экономически пригодны для практического использования при создании отдельных каскадов железнодорожной ВЗС для скоростного и высокоскоростного транспорта.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Griffin M. J. Handbook of Human Vibration. London : Academic Press Ltd., 1990.
2. Пат. 2214335 RU МПК B 60 N 2/50. Способ регулирования жесткости виброизолирующего устройства компактного сиденья для человека-оператора транспортно-технологической машины / Говердовский В. Н., Ли Ч. 2003.
3. Wickens A. H. Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics: Guidance and Stability. Lisse. BV : Swets & Zeitlinger, 2003.
4. Garg V. K., Dukkipati R. V. Dynamics of Railway Vehicle Systems. San Diego : Academic Press (Harcourt Brace Jovanovich Publ.), 1984.
5. Алабужев П. М., Мигиренко Г. С., Ким Л. И. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью. Л. : Машиностроение, 1986.
6. Rivin E. I., Passive Vibration Isolation. N. Y. : Taylor & Francis, 2003.
7. Говердовский В. Н. Развитие теории и методов проектирования машин с системами инфрачас-тотной виброзащиты : дис. ... д-ра техн. наук. М. : МАДИ (ГТУ), 2006.
8. ISO 2631: 1997. Evaluation of human exposure to whole-body vibration.
9. ГОСТ 31248-2004. Вибрация. Измерение и анализ общей вибрации, воздействующей на пассажиров и бригаду рельсового транспортного средства.
10. Iwnicki S. Handbook of Railway Vehicle Dynamics. LLC : Taylor & Francis Group, 2006.
11. URL : www.GERB.com.
12. Быков Б. В. Конструкции тележек грузовых и пассажирских вагонов. М. : Маршрут, 2004.
13. URL : www.howstuffworks.com/maglev-train.htm.
14. Пахомов М. П. Конструкция, расчет и работа узла рессорного подвешивания с перескоком. Омск : ОМИИТ, 1983.
15. Обеспечение сохранности грузов при железнодорожных перевозках : справ. / под ред. В. К. Бешкето, Ю. А. Носкова. М. : Транспорт, 1982.
16. Зуев А. К., Лебедев О. Н. Высокоэффективная виброизоляция судового оборудования. Новосибирск : Изд-во НГАВТ, 1997.
17. Галынин Н. А. Разработка и исследование виброзащитных кресел для машинистов локомотивов : дис. .канд. техн. наук. Новосибирск : НЭТИ, 1974.
