автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обеспечение виброакустической безопасности локомотивных бригад при расчете и проектировании грузовых электровозов

На правах рукописи

Подуст Сергей Федорович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛОКОМОТИВНЫХ БРИГАД ПРИ РАСЧЕТЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Специальности: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении) 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 2013 г.

005546244

005546244

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС) и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ)

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Чукарин Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор Богуславский Игорь Владимирович

Бабичев Анатолий Прокофьевич -

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО ДГТУ

Шевченко Анатолий Иванович

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГУПС

ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»), г. Москва.

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.06 в ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ.

Автореферат разослан ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Создание мощных, высокоскоростных электровозов неизбежно приводит к повышенным уровням вибрации и шума, воздействующие на локомотивные бригады. Негативные последствия воздействия на работающих шума и вибрации повышенных уровней известны. Следует также отметить, что снижение уровней шума до нормативных величин увеличивает производительность труда на 10-15%. Соответствие виброакустических характеристик машин и оборудования санитарным нормам существенно влияет на из конкурентоспособность на международных рынках. В настоящее время высказывается много нареканий к эргономическим показателям отечественных электровозов и, в первую очередь, к значительному превышению виброакустических характеристик над предельно-допустимыми.

Кроме^этого необходимо отметить, что утомляемость машинистов в значительной степени определяется повышенными уровнями шума и вибрации, снижение которых до санитарных норм повышает безопасность движения.

Таким образом, задача обеспечения безопасных условий труда локомотивных бригад грузовых электровозов является актуальной и имеет большое народнохозяйственное и социально-экономическое значение.

Цель работы - обеспечение санитарных норм шума и вибрации локомотивных бригад путем повышения точности и достоверности расчета виброакустических характеристик при проектировании грузовых электровозов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.В отличие от существующих исследований виброакустической динамики кабин локомотивов и тяжелых путевых дрезин, учитывающих звуковое излучение рельса и силовой установки, в данной работе получены аналитические зависимости уровней шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад, учитывающие акустическое и вибрационное воздействие основных источников - рельса, колесных пар и шпал, что существенно повысило достоверность акустического расчета элементов кузова на этапе проектирования.

2. Уточнены зависимости уровни структурного шума кузова грузового электровоза, учитывающие не только вибропередачу на пол от системы колесо-рельс, но и способ его крепления к рамам.

3. Получены регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии рам и кузова грузовых электровозов, что позволяет теоретически обосновать конструктивные и физико-механические параметры системы снижения вибраций, и, соответственно, структурной доли шума.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанные способы вибродемпфирования рамы и пола грузового электровоза существенно снизили уровни структурного шума, а также вибраций на рабочих местах локомотивных бригад до нормативных значений.

2.Предложенные способы-повышения диссипативных параметров элементов кузова и их звукоизоляции обеспечили выполнение санитарных норм шума.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований внедрены на ООО ПК «НЭВЗ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических «Транспорт - 2013», «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий» и одна монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 113 наименований, имеет 54 рисунка, 13 таблиц и изложена на 120 страницах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе выполнен обзор литературных источников, посвященных анализу опасных и вредных факторов на рабочих местах локомотивных бригад, а также исследованию шума и вибрации подвижного состава, включая кабины транспортных средств. Исследования условий труда машинистов показали, что 70 % профессиональной заболеваемости (рис. 1) связаны с повышенными уровнями шума и вибрации, а 14 % составляют заболевания опорно-двигательного аппарата, что непосредственно связано с вибрационным воздействием. Анализ существующих исследований шума и вибрации показал, что уровни звука на рабочих местах машинистов грузовых электровозов превышают предельно-допустимые значения на 8-10 дБА, что сопровождается повышенной утомляемостью. Движение подвижного состава железнодорожного транспорта вызывает шум высокой интенсивности, картина которого не достаточно изучена и полученные результаты по разделению шума источников требуют подтверждения. Необходимо выполнение специальных исследований по выявлению шума источников и их вклада в формирование спектров шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад.

Имеющиеся в литературе данные об акустических характеристиках подвижного состава противоречивы. Для получения объективной картины необходимо проведение акустических испытаний различных типов поездов по специально разработанной методике в натурных условиях. Наименее изученной является картина образования вибрации и передачи от источника образования через элементы конструкции электровозов. Зарубежные и отечественные методики расчета шума поездов требуют серьезного усовершенствования. Действительно, существующие методы расчета не позволяют определить уровни шума и вибрации отдельных источников, их вклад в звуковое поле, создаваемое внутри кабин электровозов на рабочих местах локомотивных бригад.

Таким образом, решение задачи снижения уровней шума и вибраций на рабочих местах локомотивных бригад до санитарных норм является аюуальной и для ее достижения в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать модели виброакустической динамики при движении грузовых электровозов.

2. Установить закономерности формирования спектров шума и вибрации.

3. Получить аналитические зависимости спектральных уровней шума и вибрации, создаваемых при движении на рабочих местах локомотивных бригад.

4. Провести комплексные исследования шума и вибрации при движении грузовых электровозов.

5. Разработать инженерные решения по снижению уровней шума до предельно-допустимых значений.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований закономерностей формирования спектров шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад грузовых электровозов. В качестве источников, определяющих формирование воздушной составляющей шума, приняты рельсы, колесные пары, шпалы (как внешние источники), а также элементы электросиловой установки (как внутренние источники).

Аналитические зависимости уровней звукового давления, создаваемых на рабочих местах локомотивных бригад, получены в следующем виде:

рельсы

I = +101д 5, - 201д г2 -101д + 10!д(1-а*)-3;

колесные пары и шпалы

L = LP + 10lgS/-20lgr3-10lg

£5, .W0'^"'^ + ¿«А + (2)

+ 10lg(l-a*) + 10lg/rra-8, где Lp - уровни звукового давления, излучаемого соответствующим источником, дБ; г,- расстояния от соответствующих источников до расчетной точки, м; 5/- площади соответствующих элементов кузова, м ; a -средний коэффициент звукопоглощения кузова; а, - коэффициент звукопоглощения соответствующего элемента кузова; а - коэффициент звукопоглощения балластного слоя пути; ЗИ,- звукоизоляция соответствующего элемента кузова, дБ; К, - добавка к звукоизоляции соответствующего элемента ограждения: К= 0, если источник расположен напротив расчетной точки; К= 5 дБ - для элементов, расположенных под углом 90° относительно источника; К= 8 дБ - для поверхностей, расположенных под углом 180° к источнику шума; Кт- количество колесных пар,

Для расчета уровней звукового давления, создаваемых соответствующими источниками, приняты в качестве акустических моделей - линейный источник для рельса, балка на упругом основании - для шпал, круглая пластина - для колесных пар.

Для принятых моделей источников шума получены следующие выражения уровней звукового давления:

шпал.

- колеса

Ц, =!0lg^ + 20lg^-+30lg^ + l63,

(3)

- рельса, установленного на шпалах при khp> 1

Lp = 20lgy + 10lg fkhp cosp + 132;

при khp < 1

Lp = 20lg- + 40lg/* + 20lg/>„cosp + 74;

- шпалами

Ui Ш.

+10lg4 + 105,

б

где Vk - скорость колебаний, м/с; к - коэффициент, характеризующий собственные частоты колебаний; hp- высота рельса, м; D - диаметр колеса, м; fk - собственные частоты колебаний; Гц; ¿-длина электровоза, м; Н- шаг расположения шпал, м; Ьш и пш - высота и ширина шпалы, м; /ш- длина шпалы, м; Зш- момент инерции шпалы, м4; Еш~ модуль упругости шпалы, Па; рш- плотность материала шпалы, кг/м3; jnp- приведенная жесткость, Н/м; В - функция, учитывающая амплитудно-фазовое распределение скорости колебаний рельса

/

5 = 0,4 jvk exp- ikQz sin р dz, о

где р - угол излучения.

Таким образом, практический расчет уровней звукового давления сводится к определению скоростей колебаний источников. Максимальные скорости колебаний рельса определены из дифференциальных уравнений изгибных колебаний для условий установки на деревянных шпалах.

где

В. dt

2Р tíV »

. %kz

xsin—-—; р

К-

4 +f-T

stL Ua

(7)

EJ

f / 44 л к

7zk

k'p

+ r,

'nkV*

К 'p j

■Мл)2

Я к

л8

de dí

xS¡n-

'o

nkz

t / n4 7t к

-p.

+ F„

\ , N2 nkV

4

-{%EPJrÍ

nk

JpJ

V- скорость движения электровоза, м/с; !р- длина рельса между шпалами, м; Еп - модуль упругости рельса, Па; рр - плотность материала рельса, кг/м , Рр - площадь поперечного сечения рельса, м2; Л и Оу, Рх и Ру -моменты инерции (м4) и составляющие силового воздействия на рельс (Н); коэффициент потерь колебательной энергии рельса.

Скорости колебаний рельса на железобетонных шпалах определяются выражениями, имеющими аналогичную структуру, и вследствие громоздкости в автореферате не приводятся. Скорости колебаний колес-

нои пары получены на основе энергетических методов в следующем виде:

V, = 1,4 • Ю"2^0'5/;0'25/?^'25, (8)

где q¡- потоки вибрационной мощности, Вт/м.

Скорости колебаний шпалы определяются по формуле:

I

'и. мн

4

СОБу^-ССК

2/,„

5т1Г

т

Ру н )

ршьшьш \ К

л

ЕШ3Ш Г тгЛ-V : ]т Г 2я/У Г

[ Н )

Л| ^ [—Т+ть

1 Р^АА I 'ш ) 2 РшЬшЬш

г ш ш ш

(9)

где г)! и т]2 - эффективные коэффициенты потерь колебательной энергии шпалы и балластного слоя соответственно; £ - расстояние между колесными парами, м; М- масса шпалы, кг; Р- вес электровоза, Н.

Таким образом, в результате теоретических исследований получены аналитические зависимости для определения спектров воздушной доли шума на рабочих местах локомотивных бригад

Теоретическое исследование структурной доли шума на рабочих местах локомотивных бригад основано также на энергетических методах расчета конструкций с излучающими элементами в виде плоских пластин.

Несмотря на общность методологического подхода к расчету структурного шума всей несущей системы электровоза определение скоростей колебаний каждой подсистемы имеет свои характерные особенности, в частности при определении вводимой вибрационной мощности. Например, определение вводимой вибрационной мощности в нижнюю раму учитывает коэффициент ослабления вибрации рессорами. В верхнюю раму вибромощносгь передается от соответствующих элементов нижней рамы и задается выражением

К = КЭ^Л, (Ю)

где к'г - коэффициент ослабления вибраций системы виброизоляции между нижней и верхней рамой; 5/- коэффициенты поглощения в соответствующем элементе, 1/м; \'1н - скорость колебаний соответствующего элемента, м/с.

Вводимая в боковые панели вибромощность определяется как

N = (И)

Вследствие громоздкости выражения система уравнений энергобаланса, из которой определяются скорости колебаний элементов кузова (V), и, соответственно, уровни шума, в автореферате не приводятся.

Зависимость для определения уровней структурной составляющей шума получена в следующем виде:

А

0,25 +-^-

¿-яр = 201д1/, +101д

+ 146, (12)

где к* - количество элементов кузова, на которые воздействует воздушная доля шума; ^ - площадь внутренней поверхности кузова электровоза, м2.

Полученные зависимости позволяют аналитически определить спектры шума, создаваемого на рабочих местах локомотивных бригад каждым источником в отдельности и от их одновременного воздействия, т.е. определить количественный вклад каждого источника и сравнить с предельно-допустимыми уровнями шума. Фактически эти результаты и дают возможность выбора инженерных разработок по обеспечению санитарных норм шума при проектировании электровозов и их ремонте и модернизации.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований шума при движении различных типов поездов, цель которых заключалась в качественной оценке интенсивности звукового излучения отдельных источников во внешнюю среду, так как измерениями спектров шума внутри электровоза установить долевой вклад отдельных источников практически невозможно. Результаты измерений показали. Что основными источниками воздушной дели шума является рельсы, колесные пары и шпалы. Особо следует отметить, высокочастотный характер спектра вибраций рельса и большую разницу в амплитудах на рельсах над шпалой и между шпалами. Эти данные являются основным подтверждением правильности выбора для рельса модели источника шума, экспериментальные исследования шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад проводились при скоростях движения 55-100 км/ч. Результаты измерений показали, что при неподвижном электровозе внутренние источники шума создают превышение над санитарными нормами. Например, в отсеке выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), трансформатора и вспомогательной машины уровень звукового давления в шестой октаве превышен на 3, б и 8 дБ (соответственно). Наиболее высокие уровни шума зафиксированы в отсеке компрессора (рис. 1).

L, дБ

100

Рис. 1. Спектры шума в

D01 [^ц_— ___ секции компрессора:

1 - при работающем агрегате; 2 - при движении электровоза; 3 - предельный спектр

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Гц

Уровни звукового давления превышают предельно-допустимые на 3-7дБ в широкой полосе частот 125-8000 Гц. При скорости движения электровоза 55 км/ч спектры шума практически идентичны на всех рабочих местах локомотивных бригад. Измерения вибраций на полу, стенках, стеклах показали, что в формировании структурной составляющей шума участвуют все элементы кузова. Уровни шума в кабинах грузовых электровозов при скоростях движения 60-100 км/ч показаны на рис. 2-5 (1 - уровни звукового давления, 2 - предельный спектр).

31,6 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f,I"u

Рис. 2. Спектры шума в кабине электровоза при скорости 60 км/ч

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 '.Гц

Рис. 3. Спектры шума при скорости 70 км/ч

31,5 63 125 250 500 1030 2000 4Ш1 8000 f, Гц

Рис. 4. Спектры шума при скорости 80 км/ч

31,5 63 125 250 500 1000 2000 40X5 8СС0 f,Tu

Рис. 5. Спектры шума при скорости 100 км/ч

При скорости движения 60 км/час уровни звукового давления превышают санитарные нормы на 3-5 дБ в интервале 250-2000 Гц, при скорости 70 км/ч на 6-9 дБ, при скорости,80 км/ч в области средних и высоких частот 250-8000 Гц уровни шума превышают норматив на 3-12 дБ. При скорости движения 100 км/ч уровни звукового давления достигают 95 дБ и превышают санитарные нормы на 12-17 дБ. Результаты измерений вибраций на рабочих местах локомотивных бригад превышают санитарные нормы в октавах со среднегеометрическими частотами 8, 16 и 31,5 Гц на 4-13 дБ.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что уровни вибраций на рабочих местах локомотивных бригад превышены в области низких частот 8-31,5 Гц, а уровни звукового давления в области средних и высоких частот 250-8000 Гц. Поэтому в частотном диапазоне 831,5 Гц следует понизить виброактивность, в первую очередь, пола. Для снижения уровней звукового давления необходим комплексный подход, включающий выбор звукопоглощающей облицовки, увеличение звукоизоляции и диссипативных свойств элементов кузова - боковых стенок и элементов остекления.

Для уточнения расчета вибрации и уровней структурного шума проводились экспериментальные исследования коэффициента оставления вибраций, передаваемых от колесных пар на пол кузова при различных скоростях движения. Результаты измерений приведены на рис. 6. к

о.зоо

0,250 0,200 0,150 0,100

8 16 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 ГЧ

Рис. 6. Коэффициенты ослабления вибраций при скоростях движения: 1-80 км/ч; 2 - 60, 70 км/ч; 3-90 км/ч; 4 - 100 км/ч

Полученные данные позволяют произвести расчет вибраций элементов кузова, включая и низкие частоты. Это позволит при проектировании грузовых электровозов сравнить ожидаемые уровни вибрации с предельно-допустимыми значениями и на этом же этапе выбирать инженерные решения по доведению виброакустических характеристик грузовых электровозов до нормативных величин.

В четвертой главе представлена эффективность мероприятий по снижению шума и вибрации и внедрение результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что снижение структурной доли шума, а также, воздушного шума, определяемого акустическим излучением внешних источников (таких как рельс, колесные пары, шпалы), санитарных норм шума на рабочих местах локомотивных бригад наиболее рационально обеспечить увеличением диссипативных характеристик несущей системы с одновременным увеличением звукоизоляции элементов кузова.

Для обоснованного выбора вибропоглощающих элементов из системы уравнений энергетического баланса определялись потоки вибрационной мощности элементов кузова и на их основе скорости колебаний, а далее уровни структурного шума. Сравнение этих величин с предельно-допустимыми значениями и определение величин превышения над нормативными значениями и позволяет теоретически обосновать выбор виб-родемпфирующих конструкций по величине требуемого снижения уровней звукового давления, которые и представляет собой разницу между ожидаемыми уровнями шума и санитарными нормами.

Для повышения достоверности и точности расчетов структурного шума проводились исследования эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии элементов кузова (пластин и остекления) и рам (швеллера). Результаты экспериментальных исследований частотной зависимости коэффициента потерь приведены на рис, 7.

1

2

з

4

Рис. 7. Частотная зависимость коэффициента потерь для пластин различной толщины: 1-2 мм; 2 - 4 мм; 3 - 6 мм; 4 - 8 мм

Экспериментальные исследования элементов в виде швеллеров, двутавровых балок показали, что изменение величин коэффициентов потерь колебательной энергии зависит от толщины металла и практически не зависит от конфигурации. В частности, для швеллеров и двутав-

Л

0,0026 0,0024 0,0022 0,002 0,0018 0,0016 0,0014 0,0012

Ь;

У рч

•ч ф Ю о* N ч

63

250 1000 4000 1, Гц

рового профиля разница в величинах коэффициентов потерь не превышает 12-17 %, что практически не оказывает влияние на точность расчета вибрации и, следовательно, структурного шума.

Поэтому ниже (см. рис. 8) приведены результаты измерений на примере швеллеров и двутавровых профилей, как наиболее часто используемого проката в рамных конструкциях электровозов. Экспериментальные исследования показали, что у швеллеров и двутавровых профилей с одинаковой толщиной стенки коэффициенты потерь колебательной энергии отличаются не более, чем на 6-8 %, что практически не влияет на точность расчетов уровней шума и вибрации, л

0,006

0,0055

0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025

Рис. 8. Частотная зависимость коэффициента потерь для швеллеров и двутавровых профилей различной толщины: 1-6 мм; 2-12 мм; 3-14

мм

По экспериментальным данным получены регрессионные выражения частотно-зависимых коэффициентов потерь колебательной энергии элементов различной толщины пластин. В автореферате приведены выражения коэффициентов потерь на примере пластины толщиной 2 мм, а также швеллеров и двутавровых профилей толщиной 14 мм. Л = 2 мм

т, = 2,58 ■ 10~3 -1,15 ■ Ю-21д Г + 2,38 • 1(Г2 (1д -1,91 • 10"2 (!д Г)3 + + 7,32 -10'3 (!д/')4 -1,34 • 10"3 (1д/-)5 + 9,55 ■ 1(Г5 )6; Л = 14 мм

г) = 0,443 -1,098 • 1д Г +1,12 (1д Г)2 - 0,593(1д+ 0,172 (1д ^ --0,0258(1дЛ)8 + 0,0016(1д/г)6.

Аналогичным образом получены регрессионные выражения стек-лопакетов с воздушным промежутком /? = 10 мм

л = -3,307 + 8,684 -\gf-9,01(1д/)2 + 4,871 (1д ^ -1,45 (1д ^ + (1д)

+ 0,225 (1д О'-0014 ('9 О'-

Таким образом, проведенные исследования позволили уточнить данные по значениям коэффициентов потерь колебательной энергии для использования их при расчетах шума на стадии проектирования различных конструкций

На основе полученных данных выбран следующий вариант повышения диссипативных характеристик несущей конструкции.

Установка вибродемпфирующего покрытия во внутренней полости двутаврового профиля нижней рамы из листового материала «Агат» толщиной 4 мм) и резины марки 1002 толщина 20 мм) привела к увеличению эффективного коэффициента потерь колебательной энергии до Т1£ = 0,099. Такое значение коэффициента потерь колебательной энергии приводит к снижению уровня виброскорости рамы на М = 12,5 дБ.

Установка демпфирующего покрытия из данной резины толщинои 30 мм повышает коэффициент потерь колебательной энергии до 0,07 и снижения уровня вибрации на М = 11 дБ. Учитывая высокую стоимость материала «Агат» второй вариант является предпочтительным. Б боковых стенках и потолке кузова установка пластин противошумного картона и жесткой минералловатной плиты между внутренними и наружными стальными листами повысила эффективный коэффициент потерь колебательной энергии до це = чт0 привело к снижению уровня виора-

ции на Д1 = 12 дБ.

Наиболее рациональный вариант компоновки элементов несущей

системы показан в табл. 1.

Эффективный коэффициент потерь колебательной энергии пола повышен до ле = 5-Ю'2, что приводит к уменьшению уровня вибрации М = 8 дБ, а виброизоляция кресла машиниста снизила уровни вибрации еще на 3-4 дБ.

Такая компоновка обеспечивает выполнение санитарных норм вибрации на рабочих местах при скорости движения до 80 км/час.

При более высоких скоростях эффективность виброзащиты должны обеспечить снижение уровней виброускорения на 12-13 дБ, что может быть достигнуто при установке кроме материала вибростек уЗОО1 еще и плиты древесноволокнистой «Рамолит-1» или фанеры (л = 1,3-10 ).

Следует отметить, что требуемое снижение вибраций достигается не только за счет величины коэффициента потерь колебательной энергии (л = 210"2), но и поверхностной массы пола.

Таблица 1.

Компоновка элементов кузова грузового электровоза

Элемент

Компоновка элемента

Применяемые материалы

Пол

Нижняя рама

Боковые стенки

Остекление

Виброизоляция кресла машиниста

£

1 - поливинилхлоридныи линолеум;

2 - стальные пластины;

3 - вибростек \/300;

4 - двутавровый профиль;

5 - внешние планки;

6 - резина марки 1002;

11

12

7 - противошумный картон;

8 - минералловатная плита;

9 - двойной стеклопакет;

10 - уплотнитель;

13

11 - втулка;

12 - демпфирующая прокладка;

13 - материал «Агат».

Снижение воздушной доли шума от внешних источников достигнуто увеличением звукоизоляции элементов кузова, что обеспечивается предложенной компоновкой стенок и стеклопакетом в переднем лобовом стекле. Повышенные уровни шума, создаваемые работающими агрегатами в отсеках компрессора, ВИП, трансформатора, вспомогательной машины в условиях заводов-изготовителей практически могут быть устранены только установкой звукопоглощающих панелей. Расчеты показали, что такая эффективность в снижении уровней звукового давления может быть достигнута при использовании материала ШОМ с липким монолитным слоем, обладающим коэффициентами звукопоглощения в этом диапазоне частот 0,7-0,95, а также винилискожи,. перфорированной дублированной, также обладающей звукопоглощением того же порядка и, кроме этого, играющей роль декоративного покрытия. Для секций ВИП, трансформатора, вспомогательной машины снизить уровни звукового давления следует только в шестой октаве (среднегеометрическая частота 1000 Гц) на 3-6 дБ. Такую эффективность обеспечивает облицовка из стеклопластика и панели слоистой шумопоглощающей, имеющая коэффициент звукопоглощения на среднегеометрической частоте 1000 Гц 0,60,65.

Предложенный комплекс мероприятий по снижению уровней шума и вибраций обеспечивает выполнение нормативных величин на рабочих местах локомотивных бригад при скоростях движения грузовых электровозов до 95-100 км/час.

Ь, дБ

Рис. 9. Спектр шума на рабочих местах локомотивных бригад после внедрения мероприятий по снижению шума

Таблица 2.

Уровни виброускорений на рабочих местах локомотивных бригад

Частота, Гц 8 16 31,5 63

Пол, сиденье машиниста, подставка для ног 102 109 114 116

Нормативное значение 104 110 116 122

Результаты исследований внедрены на ООО ПК «НЭВЗ» с ожидаемым годовым социально-экономическим эффектом 95 тыс. рублей (в ценах 2013 г.)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Рассмотрены основные направления решения важной научно-технической и социально-экономической задачи, заключающейся в обеспечении акустической безопасности локомотивных бригад грузовых электровозов. Конечные результаты работы можно представить следующими выводами:

1.Теоретически обоснованы принципы обеспечения виброакустической безопасности локомотивных бригад грузовых электровозов при их проектировании.

2.Разработаны модели возбуждения вибраций и шумообразования, учитывающие не только существенно уточненную модель звукового рельса, но колесных пар и шпал как доминирующих источников воздушного шума при движении электровозов.

3. Повышена точность расчета структурного шума грузового электровоза, учитывающая способ крепления кузова к раме, а также регрессионные зависимости диссипативных характеристик элементоа кузова, рам и коэффициента вибропередачи от системы колесо-рельс.

4. Получены аналитические зависимости спектров шума - основной акустической характеристики источников, что позволило теоретически оценить закономерности шумообразования и выявить количественный вклад каждого источника в формирование звукового поля, на рабочих местах локомотивных бригад.

5. Выявлена взаимосвязь уровней звукового давления геометрическими и физико-механическими характеристиками источников, что позволяет при проектировании теоретически обосновать рациональные параметры систем снижения уровней шума и вибраций до нормативных значений.

б.Экспериментальные исследования, выполненные в реальных условиях эксплуатации грузовых электровозов, подтвердили правильность теоретических выводов о закономерностях шумообразования при движении и, в частности, виброакустических характеристик, а также адекват-

носгь математических моделей и аналитических зависимостей акустических характеристик.

7.Разработан комплекс мероприятий, включающий повышение звукоизолирующих, звукопоглощающих и диссипативных параметров элементов кузова и рам, внедрение которого в условиях ООО ПК «НЭВЗ» привело к выполнению санитарных норм шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад грузовых электровозов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Монография:

1. Подуст С.Ф. Основы виброакустических расчетов отечественных электровозов: монография / С.Ф. Подуст, А.Н. Чукарин, И.В. Богуславский. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2014. - 157 с.

Статьи в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий»:

2. Подуст С.Ф. Анализ закономерностей шумообразования электропоездов - Вестник РГУПС, №14. - 2012 - С. 42-45.

3. Подуст С.Ф., Куклин Д.А. Моделирование виброакустической динамики рельса на шпалах. Вестник ДПГУ, 1-2 (70-70), 2013. - С. 106111

4. Подуст С.Ф. Моделирование виброакустической динамики шпал при движении подвижного состава. - Вестник РГУПС, № 1, 2013- С. 5054

Статьи в других изданиях:

5. Подуст С.Ф. Увеличение звукоизоляции элементов остекления электровозов / С.Ф. Подуст // Известия ИУИ АП 3-4 (25-26). 2011 С. 137142.

Доклады и тезисы докладов на конференциях:

6. Подуст С.Ф. Спектральный состав шума в кабинах локомотивов / С.Ф. Подуст, Ю.8. Пронников // тр. междунар. науч.-практ. конф. «Транс-порт-2013» (24-26 апреля, 2013 г.). Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д. 2013. 4.2. - С. 215-216.

7. Подуст С.Ф. Экспериментальные исследования шума и вибрации грузовых поездов / С.Ф. Подуст // IX Промышленный конгресс юга России: сб. статей (11-13 сентября 2013 г., г. Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2013. - 776 с. - С. 212-214.

8. Подуст С.Ф. Экспериментальные исследования диссипативной функции элементов остекления электровозов / С.Ф. Подуст, Ю.В. Пронников // IX Промышленный конгресс юга России: сб. статей (11-13 сентября 2013 г., г. Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2013. -776 с.-С. 215-221.

В печать 12.11.2013 г.

Объем 1,0 усл.п.л., 1,0 уч.-изд.л. Офсет. Бумага тип №3. Формат 60x84/16. Заказ № 1136. Тираж 100.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОБЕСПЕЧЕНИЕВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЛОКОМОТИВНЫХ БРИГАД ПРИ РАСЧЕТЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ

ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Специальности: 05.26.01 - Охрана труда (в машиностроении), 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин

04201454395

На правах рукописи

Подуст Сергей Федорович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Чукарин А.Н. доктор технических наук, профессор Богуславский И.В.

Ростов-на-Дону, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................6

1Л. Анализ вредных и опасных факторов, влияющих на организм работников локомотивных бригад во время рабочей смены...................................................6

1.2. Классификация источников шума поездов..................................................10

1.3. Шум качения...................................................................................................12

1.4. Существующие методы расчета шума поездов...........................................15

1.5. Анализ методов расчета шума и вибрации кабин путевых машин и локомотивов............................................................................................................17

1.6. Выводы по главе. Цель и задачи исследования...........................................19

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА РАБОЧИХ МЕСТАХ ЛОКОМОТИВНЫХ БРИГАД ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ...........................21

2.1. Теоретическое исследование воздушной составляющей шума на рабочих местах локомотивных бригад грузовых электровозов.......................................21

2.2. Моделирование шумообразования рельса при установке на деревянных и железобетонных шпалах.......................................................................................24

2.3. Шумообразование колесных пар...................................................................30

2.4. Шумообразование шпал.................................................................................33

2.5. Теоретическое исследование структурной доли шума...............................38

2.6. Выводы по главе.............................................................................................42

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА И ВИБРАЦИИ НА РАБОЧИХ МЕСТАХ ЛОКОМОТИВНЫХ БРИГАД............................................43

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований.........................43

3.2. Анализ закономерностей шумообразования различных типов поездов... 50

3.2.1. Виброакустические характеристики электропоездов...........................51

3.2.2. Виброакустические характеристики пассажирских поездов...............56

3.2.3. Виброакустические характеристики грузовых поездов.......................62

3.3. Закономерности формирования спектров шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад грузовых электровозов.......................................65

3.4. Выводы по главе.............................................................................................74

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЕЙ ШУМА И ВИБРАЦИИ. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..................75

4.1. Определение уровней структурной составляющей шума..........................75

4.2. Экспериментальные исследования эффективных коэффициентов потерь колебательной энергии..........................................................................................82

4.3. Звукоизоляция элементов кузова грузового электровоза...........................99

4.4. Выводы по главе...........................................................................................107

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...........................................................108

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Создание мощных, высокоскоростных электровозов неизбежно приводит к повышенным уровням вибрации и шума, воздействующие на локомотивные бригады. Негативные последствия воздействия на работающих шума и вибрации повышенных уровней известны. Следует также отметить, что снижение уровней шума до нормативных величин увеличивает производительность труда на 10-15 %. Соответствие виброакустических характеристик машин и оборудования санитарным нормам существенно влияет на их конкурентоспособность на международных рынках. В настоящее время высказывается много нареканий к эргономическим показателям отечественных электровозов и, в первую очередь, к значительному превышению виброакустических характеристик над предельно-допустимыми величинами.

Кроме этого необходимо отметить, что утомляемость машинистов в значительной степени определяется повышенными уровнями шума и вибрации, снижение которых до санитарных норм повышает безопасность движения.

Таким образом, задача обеспечения безопасных условий труда локомотивных бригад грузовых электровозов является актуальной и имеет большое народнохозяйственное и социально-экономическое значение.

Цель работы - обеспечение санитарных норм шума и вибрации локомотивных бригад путем повышения точности и достоверности расчета виброакустических характеристик при проектировании грузовых электровозов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В отличие от существующих исследований виброакустической динамики кабин локомотивов и тяжелых путевых дрезин, учитывающих звуковое излучение рельса и силовой установки, в данной работе получены аналитические зависимости уровней шума и вибрации на рабочих местах локомотивных бригад, учитывающие акустическое и вибрационное воздействие основных источников - рельса, колесных пар и шпал, что существенно

повысило достоверность акустического расчета элементов кузова на этапе проектирования.

2. Уточнены зависимости уровни структурного шума кузова грузового электровоза, учитывающие не только вибропередачу на пол от системы колесо-рельс, но и способ его крепления к рамам.

3. Получены регрессионные зависимости коэффициентов потерь колебательной энергии рам и кузова грузовых электровозов, что позволяет теоретически обосновать конструктивные и физико-механические параметры системы снижения вибраций, и, соответственно, структурной доли шума.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанные способы вибродемпфирования рамы и пола грузового электровоза существенно снизили уровни структурного шума, а также вибраций на рабочих местах локомотивных бригад до нормативных значений.

2. Предложенные способы повышения диссипативных параметров элементов кузова и их звукоизоляции обеспечили выполнение санитарных норм шума.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований внедрены на ООО ПК «НЭВЗ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Транспорт - 2013», «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в журналах, входящих в «Перечень ведущих научных журналов и изданий» и одна монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 107 наименований, имеет 54 рисунка, 13 таблиц и изложена на 120 страницах машинописного текста. В приложение вынесены сведения о внедрении.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Вопросы безопасности на транспорте, исследования шума и вибрации, борьбе с шумом путевых и дорожно-строительных машин освещены в работах отечественных и зарубежных ученых [1-84].

1.1. Анализ вредных и опасных факторов, влияющих на организм работников локомотивных бригад во время рабочей смены

В настоящее время одним из важнейших направлений по сохранению здоровья работников, является проведение процедуры аттестации рабочих мест и производственного контроля, которые неразрывно связаны и дополняют друг друга. Эти работы проводятся РГУПС, а координатором этих работ на полигоне дороги является служба охраны труда. Смысл этой координации в том, что исходя из специфики предприятий, заранее определяются рабочие места, на которых должны быть использованы нестандартные подходы к проведению измерений и оценок, а также определяются гарантии и компенсации работникам.

Проблемы аттестации рабочих мест подробно освещены в литературных источниках [1-12].

На железнодорожном транспорте каждый третий работает во вредных условиях труда, при этом [1] официально признаны 2 категории профессиональных контингентов, подвергающихся производственно-профессиональному риску:

1. Лица, обеспечивающие движение поездов и осуществляющие профессиональную деятельность в условиях повышенной опасности (машинисты и помощники машинистов, работники диспетчерско-операторской службы, начальники железных дорог, их заместители, работники аппаратов управлений и отделений железных дорог, линейных предприятий и иных

организаций железнодорожного транспорта, работа которых связана с выходом на железнодорожные пути).

2. Лица, непосредственно не обеспечивающие движение поездов, но связанные с воздействием опасных и вредных производственных факторов (дефектоскописты, слесари, гальванщики и др.).

Наряду с обязанностями обеспечения безопасности движения поездов, обусловливающих высокую степень ответственности за выполнение своих профессиональных функций, работники первой категории профессий одновременно подвергаются воздействию комплекса неустранимых вредных и опасных производственных факторов, определяющих высокую степень их производственно-профессионального риска [2].

Причинами неустранимости вредного производственного фактора в настоящее время на предприятиях и в организациях железнодорожного транспорта, в основном, являются [3, 4]:

- невозможность на современном уровне технического развития отрасли обеспечить на всех рабочих местах соблюдение гигиенических нормативов в полном объеме;

- расположение технологического оборудования, подлежащего осмотру и ремонту в местах, неудобных для обслуживания, а также расположение рабочих мест в технических (нерабочих) помещениях зданий согласно стандартам на проектирование;

- специфика технологического процесса работы железнодорожного транспорта и организация труда, связанные с обеспечением постоянного круглосуточного движения поездов и его безопасности.

На основе анализа литературных источников схематично представлена санитарно-гигиеническая характеристика деятельности работников локомотивных бригад в приложении (табл. П1, П2, ПЗ) [1]. Как видно из этих данных, наиболее серьезным фактором, влияющим на условия работы машиниста, является информационная нагрузка. Информация, получаемая машинистом за определенный отрезок времени (информационный поток),

может восприниматься, перерабатываться и реализовываться в определенные управляющие действия за разное время. Если это время больше того, за которое эта информация поступает, происходит потеря части оперативной информации и даже сбой в управляющей деятельности машиниста (из-за перегрузки информацией с пульта). Такие ситуации обычно кратковременны, но их повторение приводит к снижению качества управления и безопасности движения.

По данным некоторых авторов [5] длительность сосредоточенного наблюдения (внимания) машиниста составляет более 60 % смены; идет восприятие в среднем около 200 сигналов в течение часа; постоянное наблюдение за внешними стационарными (светофор, семафор, переезд, станционные сигналы, предупредительные щиты, обозначения допустимой скорости, профиль пути) и движущимися объектами (пешеходы, транспорт и др.), а также за внутренними сигналами в виде показаний приборов и восприятии работы машин и агрегатов на слух (нагрузка на слуховой анализатор - разборчивость слов и сигналов от 100 до 90 %).

Перечисленные негативные производственные факторы могут способствовать развитию профессиональных и профессионально-обусловленных заболеваний, влияя на профессиональную трудоспособность работников локомотивных бригад и показатели отстранения от рейса в рамках предрейсового медицинского осмотра (ПРМО).

Профессиональным называют заболевание (согласно определению Международной организации труда - МОТ), развивающееся в результате воздействия факторов риска, обусловленных трудовой деятельностью [6, 7]. Существует "Список профессиональных заболеваний", утвержденный приказом Минздрава России от 14.03.96 г. № 90 "О порядке проведения предварительных и периодических медицинских осмотров и медицинских регламентов допуска к профессии" (письмо Фонда социального страхования Российской Федерации от 4 октября 2002 года № 02-18/07-7033). Список профессиональных заболеваний адаптирован к Международной статистической классификации болезней (МКБ)

Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) десятого пересмотра (письмо Министерства здравоохранения Российской Федерации от 2 октября 2001 года № 2001/140). В Список профессиональных включены семь групп заболеваний:

1 - заболевания, вызываемые воздействием химических факторов;

2 - заболевания, вызванные воздействием промышленных аэрозолей;

3 - заболевания, вызываемые воздействием физических факторов;

4 - заболевания, связанные с физическими перегрузками и перенапряжением отдельных органов и систем;

5 - заболевания, вызываемые действием биологических факторов;

6 - аллергические заболевания;

7 - новообразования.

Структура профессиональной заболеваемости машинистов локомотивов (и их помощников), которые занимают первое место по заболеваемости среди железнодорожников, представлена на рис. 1.1.

□ 1 с2 пЗ "4 п5

бТз 4.8

Рис. 1.1. Структура профессиональной заболеваемости (в %) машинистов

локомотивов в 2000-2009 г. [1, 3, 8]: 1 - профессиональная нейросенсорная тугоухость и вибрационная болезнь; 2 - заболевания опорно-двигательного аппарата; 3 - заболевания органов дыхания «пылевой» этиологии; 4 - профессиональные интоксикации; 5 - профессиональные дерматозы и аллергозы.

Профессионально обусловленные заболевания - группа болезней (не относящихся к профессиональным) различной этиологии (у машинистов локомотивов и их помощников это в основном заболевания сердечно-

сосудистой системы типа артериальной гипертензии, ишемической болезни сердца, нервно-психические заболевания типа невроза, ряд заболеваний органов дыхания, язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки и др.), частота возникновения которых растет по мере увеличения стажа работы в неблагоприятных условиях труда и гораздо ниже в профессиональных группах, не подвергающихся воздействию вредных факторов.

В качестве прогнозных значений, критериев влияния условий труда на состояние здоровья машинистов и помощников машинистов локомотивов многие авторы используют показатели заболеваемости с временной утратой работоспособности (ЗВУТ) данной категории работников [11].

При анализе литературных данных выявлен [8] рост показателей ЗВУТ у работников локомотивных бригад по болезням системы кровообращения по отношению к аналогичным показателям среди других работников, обеспечивающих движение поездов. Растут также показатели инвалидности и смертности, возрастает риск травмирования работников вследствие снижения внимания.

Перечисленные проблемы усугубляются в последнее время переходом на вождение пассажирских поездов одним машинистом без помощника [12], несмотря на то, что кабины локомотивов оборудуются устройствами дистанционного контроля уровня бодрствования.

Исследования условий труда машинистов показали, что 84,6 % профессиональной заболеваемости связаны с повышенными уровнями вибрации и, в первую очередь, шума. Действительно, заболевания опорно-двигательного аппарата, составляющие 14,6 %, также связаны с вибрационным воздействием.

1.2. Классификация источников шума поездов

С наибольшей полнотой информация об источниках шума подвижного состава железнодорожного транспорта изложена в работах [19, 21, 22, 23].

Различают источники шума, работающие в стационарном режиме и при движении. Источники шума, возникающие при стоянке, различны и зависят от типа локомотива и подвижного состава. Так, на тепловозах наиболее интенсивным источником шума является дизель (корпус, системы выпуска и впуска); заметный вклад также дает система охлаждения дизеля, тяговые электродвигатели, воздушные компрессоры. В электропоездах основные источники шума: тяговые электродвигатели, вентиляторы охлаждения электродвигателей, компрессоры.

Имеется ряд источников шума, связанных с движением поездов. Основным источником здесь является шум качения, возникающий при взаимодействии колеса с рельсом (система «колесо-рельс»). В кривых участках пути возникает скрежет, отличающийся по акустическим харак�