18.12.2014  

Проблемы снижения вибрации и шума в метрополитене

PROBLEMS OF REDUCING VIBRATION AND NOISE IN A SUBWAY
 
Дьяконов П.Ю. — инженер-конструктор 1 категории мастерской №15
E-mail: DyakonovPY@mosinzhproekt.ru
Иконников В.П. — заместитель начальника мастерской №15
E-mail: IkonnikovVP@mosinzhproekt.ru
Михайлов А.П. — начальник отдела проектирования организации строительства объектов метрополитена
E-mail: MihailovAP@mosinzhproekt.ru
 
ОАО «Мосинжпроект»
Адрес организации: 111250, Москва, проезд Завода Серп и Молот, д. 10, офис 610-10
E-mail: info@mosinzhproekt.ru
 
Dyakonov P.Y. — Design engineer 1 category of workshop №15
E-mail: DyakonovPY@mosinzhproekt.ru
Иконников В.П. — Deputy Head of the workshop №15
E-mail: IkonnikovVP@mosinzhproekt.ru
Михайлов А.П. — Head of design organization construction of the underground
E-mail: MihailovAP@mosinzhproekt.ru
 
JSC «Mosinzhproekt»
The organization address: 111250, Russia, Moscow, Zavoda Serp i Molot st., 10
E-mail: info@mosinzhproekt.ru
 
 
 
В статье рассматриваются особенности колебательных процессов в метрополитене и некоторые способы борьбы с их негативными проявлениями. Отмечается несогласованность в терминологии при описании вибрации. Авторы отмечают необходимость использования упруго-вязких и вязкопластических элементов для снижения вибрационного воздействия в метрополитене.
 
The article discusses features of oscillatory processes in a subway and approaches to counter their negative manifestations. An inconsistency in terminology of vibration description is noted. Authors note the need of use of viscoelastic and viscoplastic elements to reduce vibration exposure in the subway.
 
трополитен — быстрый, удобный и экологически чистый вид общественного транспорта, без которого в последнее время немыслима жизнь не только мегаполисов, но и просто крупных городов. Однако и он не лишен недостатков. Это, прежде всего, высокая стоимость строительства. Строительство метро неглубокого заложения позволяет экономить средства. Но при этом в полной мере проявляются такие негативные качества железнодорожного транспорта, как шум и вибрация. 
Шум и вибрация имеют волновую природу, но отличаются по частоте и амплитуде колебаний. Кроме того, шум распространяется в воздушной среде и воспринимается органами слуха человека, а вибрация распространяется в твердых телах и воспринимается тактильно. Частота восприятия звука человеком лежит в диапазоне 20-20000 Гц. Отдельные индивидуумы могут слышать на частоте 16 Гц и менее. Диапазоны слышимого звука делятся на низкочастотный (до 400 Гц), среднечастотный (400-5000 Гц) и высокочастотный (5000-20000 Гц).
Звуковые колебания низких частот называются инфразвуком. Он негативно сказывается на состоянии людей, вызывая чувство панического ужаса. Публикаций по проблеме инфразвука немного, так как считается, что его использование перспективно в военных целях. Возникает инфразвук, например, при движениях больших масс воды в океане, имеющих разную температуру и плотность, или больших масс горных пород при землетрясениях. В тоннелях метрополитена влияние инфразвука столь незначительно, что его изучение и учет воздействия неактуальны. 
Вибрация передается через упругую среду. Вибрационные колебания оказывают негативное влияние на человека на частотах от единиц до сотни герц. Например, для стоящего человека наиболее опасны два резонансных пика на частотах 5-12 Гц и 17-25 Гц, для сидящего  —  на частотах 4-6 Гц. Для отдельных органов опасны вибрации более высокой частоты. 
Частотные диапазоны вибрации делятся на:
низкочастотный: общий (1-4 Гц) и локальный (8-16 Гц);
среднечастотный: общий (8-16 Гц) и локальный (31,5-63 Гц);
высокочастотный — общий (31,5-63 Гц) и локальный (125-1000 Гц). 
Под общим частотным диапазоном вибрации подразумевается колебательное воздействие на тело человека в целом, а под локальным  —  воздействие на отдельные части тела и органы. 
В метрополитене причиной возникновения вибрации в основном является взаимодействие колесной пары и рельсов. Так как рельс опирается на шпалы в отдельных точках, его жесткость переменна, и состав движется как бы по волнистой поверхности [1]. Казалось бы, устранить эту причину вибраций несложно, достаточно уложить рельсы на однородную подушку. Однако, как отмечается в работе Б.В. Наумова [2], польза от таких мероприятий невелика. Причина в том, что рельс крепится к сплошному основанию в определенных точках, то есть получается многоопорная балка на упругом основании, по которой бьет номинально уравновешенное колесо, возбуждая колебания рельса. 
Шум генерируется не только колесной парой, но и двигателями поезда, а также движением воздушных масс в тоннеле. В ограниченном пространстве шум может усиливаться в результате реверберации. Плохая звукоизоляция вагонов и прямая их связь с внешней средой усугубляют сложности восприятия однотонных звуков и разборчивости речи.
Таким образом, при одной физической природе шума и вибрации эти процессы имеют значительные отличия, поэтому методы снижения их интенсивности должны рассматриваться раздельно, но в то же время комплексно, охватывая несколько подходов. Вибрацию необходимо стремиться снижать в элементах пути, строительных конструкциях метрополитена и вмещающем его массиве грунта. 
Рассмотрим проблему снижения вибрации в верхнем строении пути. Как отмечал известный ученый-железнодорожник, профессор Г.М. Шахунянц, «важно создавать упругость пути в самых верхних его элементах» [3]. Равный прогиб рельса над шпалами и в междушпальном пространстве позволяет устранить волнистость рельсов при движении состава, что резко снизило бы вибрацию. 
Рассмотрим некоторые способы снижения вибрации в метрополитенах разных городов мира. 
В метрополитене Торонто (Канада), введенном в эксплуатацию в 1954 г. и насчитывающем 56,9 км двухпутных тоннелей и 61 станцию, подвижной состав оснащен колесами с резиновыми шинами. По мнению специалистов, эффект снижения шума и вибрации от этого мероприятия по сравнению с традиционными решениями невелик, а возникающие эксплуатационные проблемы значительны [4].
В алма-атинском метрополитене бесстыковой рельс уложен на сплошном железобетонном основании и имеет одинарное упругое скрепление, состоящее из стальной плиты толщиной 5 мм с подложенной пластиковой прокладкой, подкладки с уклоном, резиновой прокладки под рельс и упругой клеммы, прижимаемой к рельсу болтом [5].
В киевском метрополитене на новых линиях для уменьшения шума и вибрации устроена лежневая конструкция пути. На участке перегонного тоннеля между станциями «Голосеевская» и «Васильковская», имеющем сложные гидрогеологические условия и высокую обводненность, выполнена экспериментальная виброзащита на блочных опорах системы EBS (Embedded Block System) с прокладками из полиуретановой смолы фирмы «TINES» [6]. Изолированные рельсовые опорные блоки системы EВS  —  это безбалластная система конструкции верхнего строения пути, которая обеспечивает упругий перенос нагрузки, создаваемой рельсовыми транспортными средствами, а также гашение колебаний, возникающих в процессе их движения (рис. 1). 
Определенный интерес представляет система ВГС, разработанная московской фирмой «АБВ» и описанная в работе Б.В. Наумова [2]. Здесь удалось разделить регулировку вертикальной и горизонтальной жесткости по разным упругим элементам. Благодаря снижению жесткости пути на Сокольнической линии московского метрополитена была снижена вибрация в частотах 31,5 и 63 Гц на 8-23 дБ. 
Как видно из рисунка 2, система ВГС состоит из пружины, регулирующей вертикальную жесткость системы, и сайлент-блока, регулирующего жесткость в поперечном и продольном направлениях.
В минском метрополитене на участках, где требуется снизить уровень вибрации, применяются упругие ребристые виброгасящие прокладки, которые размещают между шпалами и бетоном. 
Наибольшие успехи в гашении вибрации и шума достигнуты на четырех линиях парижского метрополитена. Здесь впервые в мире стали использовать подвижной состав на пневматических шинах [4]. Аналогичные вагоны, произведенные во Франции, используются в Мехико, Милане, Монреале, Сантьяго.
Недостатком вариантов гашения вибрации на рассмотренных линиях метрополитена является то, что в каждом из них противовибрационный элемент  —  упругий, т.е. не обладает демпфирующими свойствами, а служит только для снижения жесткости подрельсовой опорной части, соприкасающейся со шпалой или однородной подушкой. Для обеспечения противовибрационных свойств необходимо дополнительно снабжать систему виброизоляции элементами, подавляющими колебания. 
Почему же упругие пневматические шины эффективно гасят шум и вибрацию? При качении стального колеса колесной пары по рельсу взаимодействуют два тела, имеющих примерно равные модули упругости составляющих их материалов, поэтому взаимодействие жесткое. Пневмошина гораздо податливее полотна, по которому она катится. Поэтому при движении деформируется шина, работая как пневмопоршень, а не полотно. Неровностей, о которых сказано выше, она как бы «не замечает».
Рассмотрим противовибрационные элементы с демпфированием. Демпфирование (от немецкого «dämpfer»  —  «заглушать»)  —  искусственное подавление колебаний механических или других систем, которое может осуществляться за счет увеличения затухания или подавления определенных частот с помощью дополнительной колебательной системы. Поскольку в метрополитене присутствует широкий спектр частот колебаний, применение дополнительных колебательных систем нецелесообразно. Остается увеличение затухания за счет потери энергии колебаний через превращение ее в теплоту. 
ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения» [7] дает следующие формулировки: «виброизолятор – устройство, осуществляющее виброизоляцию» (недопустимо: амортизатор, демпфер); «демпфер — гаситель или успокоитель колебаний» (недопустимо: амортизатор). 
В строительной практике утвердились следующие термины: 
Виброизоляция — уменьшение колебаний механической системы, основанное на ослаблении ее связей с другими системами. Если источник возбуждения колебаний находится внутри системы, то используемая виброизоляция называется активной, если виброизолируемый объект требуется защитить от колебаний поддерживающих его конструкций — пассивной.
Гасители колебаний, применяемые в строительстве, делятся на динамические гасители, демпферы, ударные гасители и ограничители колебаний. Динамические гасители бывают (с затуханием и без затухания) пружинные, маятниковые, с вращающимся маятником. Демпферы, или гасители повышенного сопротивления, могут быть пневматические, вязкого или сухого трения и электромагнитные. Ударные гасители бывают одностороннего (одноударные) и двухстороннего (двуударные) действия и, в свою очередь, подразделяются на маятниковые, пружинные и плавающие. Ограничители колебаний делятся на жесткие и упругие [8]. 
Очевидно, что используемые в строительной литературе, посвященной динамике сооружений [8], термины и определения не соответствуют ГОСТ. Так, недопустимо смешивать понятие «демпфер» и «амортизатор». Между тем, амортизатор всегда применяется совместно с демпфером. Несоответствие понятий может негативно сказываться при обсуждении проблем вибрации в метрополитене. 
Имея в виду, что борьба с вибрацией в метро — комплексная проблема, охватывающая верхнее строение пути, строительные конструкции и вмещающий массив грунта, необходимо использовать терминологию с однозначной трактовкой. В данной работе рассматриваются только приспособления, используемые в верхнем строении пути, поэтому представляется целесообразным использовать понятия механики деформируемого твердого тела.
Напомним, что в механике деформируемого твердого тела принято выделять три элементарных тела — упругое, вязкое и пластичное. Упругость — свойство твердых тел восстанавливать форму и объем после прекращения действия внешних сил. Вязкость — свойство среды сопротивляться действию внешних сил, вызывающих ее течение. Вязкость твердых тел (внутреннее трение) — свойство превращать механическую энергию, полученную в результате деформации, в теплоту. Пластичность (греч. «ρlastikόs» — годный для лепки, податливый) — свойство среды необратимо деформироваться под действием внешних сил.
В природе нет тел или сред, обладающих идеальными свойствами, так как сами эти свойства зависят от внешних воздействий. Например, до определенных пределов нагрузки в обычных условиях сталь проявляет свойства упругого тела, при высоких температурах проявляет текучесть (ползучесть), при колебаниях или ударах необходим учет вязкости.
Для наглядности механические уравнения состояния сложных сред иллюстрируют простыми механическими моделями [9]. Упругий элемент, подчиняющийся закону Гука (σ = Еε), изображают в виде пружины. Вязкий элемент, соответствующий закону вязкости Ньютона 
 
(σ = μ       , здесь μ — коэффициент вязкости), 
 
изображается моделью, состоящей из поршня, перемещающегося в цилиндре с вязкой жидкостью. Жесткопластическое тело начинает деформироваться при напряжениях, удовлетворяющих условию текучести 
(σ = σS), и иллюстрируется в виде площадки с сухим трением.
Из этих элементов составляются модели, изображающие сложные среды. Модель упруго-вязкой среды получается соединением упругого и вязкого элементов. Их последовательное соединении называется моделью среды Фойхта, которая обладает свойством релаксации, но не проявляет свойств последействия.
Параллельным соединением упругого и вязкого элементов получаем модель среды Максвелла. Она обладает свойством последействия, но не проявляет свойств релаксации.
Последовательным присоединением к модели Фойхта (ее чаще называют моделью Кельвина-Фойхта) упругой пружины Гука получаем модель, позволяющую соединить свойства релаксации и последействия. Такая модель называется моделью стандартного тела. Она широко применяется в разных отраслях науки и техники, где часто встречаются иные названия, например, модель Томсона-Поинтинга.
Последовательное соединение вязкого и пластического элементов образуют модель ползуче-пластической среды. При некотором напряжении σ меньше напряжения, соответствующего началу текучести σS, среда ведет себя как вязкая жидкость. При σ = σS среда течет подобно идеально пластическому телу, для которого складываются скорости вязких и пластических деформаций. Последовательным соединением вязкого и пластического элементов моделируется ползуче-пластическая среда [9]. 
Очевидно, для гашения шума и вибрации в метрополитене необходимо использовать устройства, обладающие упруго-вязкими, упруго-пластичными или упруго-вязкопластичными характеристиками. Использование упругого элемента обязательно, так как противовибрационная система должна возвращаться в исходное положение. Использование всякого рода упругих элементов практически не гасит вибрацию, а просто пропускает ее через себя, изменяя амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики колебаний. При этом энергия вибрационного воздействия не изменяется.
На рисунке 3 приведены модели различных сред, которые иллюстрируют возможности виброгасящих приспособлений, составленных из тех или иных элементов идеальных сред. Так, если взять механизм с упруго-вязкими или упруго-вязкопластичными свойствами, то он, очевидно, окажется достаточно сложным, а, следовательно, дорогим в производстве и эксплуатации. Целесообразнее использовать виброгасящее приспособление, наделенное упругопластическими свойствами. Оно имеет более простую конструкцию, компактно, дешево и практично. 
Приведенные теоретические выкладки позволяют грамотно запроектировать виброзащитные устройства, эффективно гасящие вибрацию и шум в метро и преобразующие механическую энергию колебаний в теплоту с рассеиванием последней в окружающую среду.
 
 

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

 

ПОДПИСАТЬСЯ

Получайте последние новости и обновления от журнала “Инженерные сооружения”