ADAMCZYK Jan 1 TARGOSZ Jan 2 Badania symulacyjne dynamiki przejazdów kolejowo drogowych pod kątem minimalizacji ich oddziaływań na środowisko WSTĘP Duży postęp techniczny w obecnych czasach, związany ściśle z rozwojem techniki i przemysłu, z jednej strony przyczynił się do powstania wielu nowoczesnych rozwiązań technicznych, z drugiej zaś spowodował nasilenie zjawisk stanowiących zagrożenie dla człowieka i środowiska naturalnego. Jedną z dziedzin przemysłu, która ma znaczący udział w tym zagrożeniu jest stale rozwijający się w szybkim tempie transport, zarówno w sensie komunikacji szynowej (kolej, tramwaj), jak i samochodowej. Stały rozwój sieci dróg szynowych i samochodowych oraz zwiększająca się liczba zastosowań urządzeń transportu wibracyjnego nieodłącznie wiąże się z ingerencją w środowisko naturalne. Transport szynowy oraz drogowy, który w sposób jednoznaczny dzieli teren, przez który przebiega zajmuje znaczne powierzchnie gruntów, oraz przez swoją intensywność wywiera niekorzystny wpływ na środowisko będąc źródłem drgań i hałasu. Ponieważ szeroko rozumianemu transportowi towarzyszy nieodłącznie oddziaływanie dynamiczne na otoczenie powodujące drgania mechaniczne fundamentów, podłoża oraz konstrukcji inżynierskich, dążenie do minimalizacji ich szkodliwego działania jest koniecznością i doprowadziło do powstania zarówno nowych konstrukcji urządzeń transportowych o ograniczonej emisji energii wibroakustycznej jak i złożonych układów wibroizolacji stanowiących przeszkodę w rozprzestrzenianiu się drgań do środowiska naturalnego. Zniszczona nawierzchnia na wielu przejazdach zagraża płynności i bezpieczeństwu ruchu samochodowego. Jednym z najbardziej newralgicznych miejsc jest skrzyżowanie drogi dla pojazdów samochodowych z drogą dla pojazdów szynowych, a w szczególności z torowiskiem kolejowym. 1. BADANIA SYMULACYJNE DYNAMIKI PRZEJAZDU KOLEJOWO SAMOCHODOWEGO Obiektem badań symulacyjnych były przejazdy na jednopoziomowym skrzyżowaniu dróg transportu szynowego z transportem samochodowym, których modele matematyczne przedstawiono w pracy [6]. Celem badań było określenie poziomu drgań elementów zabudowy przejazdu, wygenerowanie przebiegów obciążeń pewnych części oraz przygotowanie modelu matematycznego, który może posłużyć dalszym symulacjom, których zadaniem jest wygenerowanie w miarę optymalnej konstrukcji przejazdu. 2. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU ANALIZY PRZEJAZDU WEDŁUG PIERWSZEJ KONCEPCJI W tym celu został zbudowany model przejazdu w systemie CATIA, którego ujęcie przedstawiono na rysunku 1. Po wyznaczeniu momentów bezwładności poszczególnych elementów przejazdu, oraz opierając się na danych z badań doświadczalnych oraz informacjach uzyskanych z wcześniejszych opracowań dotyczących przejazdów kolejowych i tramwajowych, zbudowano model dynamiczny przejazdu kolejowego w systemie LMS DADS, który posłużył do przeprowadzenia symulacji eksploatacyjnych obciążeń układu oraz określenie poziomu drgań elementów zabudowy przejazdu. 1 Prof. dr hab. inż. Jan Adamczyk, CIOP, Czerniakowska 16, 00-701 Warszawa, tel.: +48 22 623 36 98, fax: +48 22 623 36 93, adamczyk@agh.edu.pl 2 Dr hab. inż. Jan Targosz, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im Stanisława Staszica, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, tel: +48 12 617-36 -75, fax: +48 12 634-35-05, jantargosz@interia.pl 2208
Rys. 1. Model przejazdu kolejowego wykonany w systemie Catia 2.1. Charakterystyka modelu oraz środowiska LMS DADS Model symulacyjny przejazdu kolejowego został zbudowany przy użyciu oprogramowania LMS DADS. Wszystkie części przejazdu zostały zamodelowane jako bryły sztywne, co w pełni wystarczało dla przeprowadzanych symulacji, gdyż dotyczyły one wzajemnych oddziaływań poszczególnych części składowych przejazdu kolejowego, tzn. podtorza, szyny i samego przejazdu. W modelu wszystkie bryły połączone były więzami kinematycznymi, których parametry sprężystości i tłumienia określono zgodnie z rzeczywistymi wartościami jakie występują w tego typu połączeniach. Uwzględniono również poślizg kół pojazdu samochodowego, przewidując różne warianty np. lód, polewanie wodą itp. W celu symulacji zbudowano modele pojazdów takich jak samochód osobowy, dostawczy, oraz samochód ciężarowy o masie 18000 [kg]. W każdym z modeli został zamodelowany kontakt pomiędzy oponą a podłożem. Model został sparametryzowany, co umożliwiło łatwe przeprowadzanie wariantowych symulacji dynamiki jak również zbudowanie bazy danych elementów składowych przejazdu. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono zdjęcia z wykonanej z symulacji dynamicznej przejazdu samochodu osobowego i ciężarowego. Rys. 2. Zdjęcie modelu samochodu osobowego Rys. 3. Zdjęcie modelu samochodu ciężarowego 2209
2.2. Wyniki symulacji na tradycyjnym wibroizolowanym przejeździe kolejowo-drogowym Podczas budowy modelu przyjęto następujący sposób opisu poszczególnych elementów przejazdu kolejowego, którego wycinek przedstawiono na rysunku 4. Rys.4. Schemat opisu poszczególnych elementów przejazdu Parametry, które mogą być zmieniane podczas przeprowadzania kolejnych symulacji przejazdu to: sztywność zawieszenia gumowego płyt żelbetowych, wartość tłumienia występującego w elementach gumowych, stopień skręcenia śrubą rzymską poszczególnych płyt, prędkość pojazdu najeżdżającego na przejazd, masa pojazdu, sztywność zawieszenia pojazdu, nierówności nawierzchni asfaltowej przed przejazdem (wprowadzenie pojazdu w kołysanie), rodzaj nawierzchni, rozstaw osi pojazdu, rozstaw kół pojazdu, W badaniach symulacyjnych ograniczono się do analizy kilku przypadków, których parametry przedstawione są w tabeli 1. Wyniki badań symulacyjnych przedstawiono w postaci wykresów na rysunkach 5 i 6. Tab.1. Rozpatrywane przypadki symulacji Prędkość Masa Nierówności Siła w śrubie Prędkość Rodzaj pojazdu pojazdu i pojazdu pionowe rzymskiej [km/h] [kg] --- --- [N] Symulacja_05 100 1400 Samochód osobowy brak 300 Symulacja_06 100 2000 Samochód osobowy brak 300 Symulacja_07 100 2500 Samochód dostawczy brak 300 Symulacja_04 Samochód ciężarowy - 3 40 18000 osiowy brak 300 Symulacja_08 Samochód ciężarowy - 3 40 18000 osiowy brak 300 2210
przemieszczenia [m] przemieszczenia [m] Rys. 5. Wykresy przemieszczeń pionowych płyt gumowo-żelbetowych dla przejazdu samochodu osobowego o masie 1400 kg, samochodu osobowego o masie 2000 kg, samochodu dostawczego o masie 2500 kg przy prędkości przejazdu 100 km/h Rys. 6. Wykresy przemieszczeń pionowych płyt gumowo-żelbetowych dla przejazdu samochodu ciężarowego o masie 18000 kg, przy prędkości przejazdu 40 i 70 km/h Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono amplitudy przemieszczeń otrzymane w wyniku symulacji płyty środkowej (linie ciągłe) oraz płyt zewnętrznych prawej i lewej (linie przerywane) pierwszej koncepcji przejazdu kolejowo-samochodowego w zależności od typu pojazdu (samochód osobowy o masach1400 i 2000 [kg], samochód dostawczy o masie 2500 [kg], samochód ciężarowy trzyosiowy o masie 18000 [kg]. Na podstawie wyników symulacji przejazdu samochodu osobowego o masie 1400 [kg] i 2000 [kg] i dostawczego 2500 [kg] z prędkością 100 [km/h] po przejeździe kolejowo-samochodowym można stwierdzić, że amplituda przemieszczeń płyty środkowej zależy od masy pojazdu i jest tym większa im większa jest masa pojazdu. W przypadku najazdu (płyta zewnętrzna prawa) oraz zjazdu (płyta zewnętrzna lewa) amplitudy przemieszczeń tych płyt są porównywalne i są mniejsze od amplitudy przemieszczeń płyty środkowej. Na podstawie symulacji, których wyniki nie zostały przedstawione w pracy, można stwierdzić że zmiana wartości nawet o 40 [%] ogranicza amplitudę przemieszczeń płyty środkowej oraz płyt zewnętrznych w trakcie najazdu (płyta zewnętrzna prawa) oraz zjazdu (płyta zewnętrzna lewa), lecz nie jest to wpływ bardzo istotny. Również prędkość przejazdu nie wpływa na wartości amplitud przemieszczeń płyt. Decyduje konstrukcja przejazdu i zastosowanie elementów elastomerowych. Na podstawie wyników symulacji 4 i 8 (rys. 6) przejazdu samochodu ciężarowego o masie 18000 [kg] z prędkościami 40 i 70 [km/h] po przejeździe kolejowo samochodowym można stwierdzić, że amplitudy przemieszczeń płyty środkowej jak również płyty zewnętrznej prawej oraz płyty zewnętrznej lewej są prawie identyczne. Można zauważyć natomiast, że prędkość przejazdu ma 2211
wpływ na odpowiedź wibroizolowanego przejazdu, jest ona prawie natychmiastowa w przypadku prędkości 70 [km/h] a opóźniona około 1,5 [sek.] w przypadku przejazdu z prędkością 40 [km/h]. Wpływ zmiany wartości tłumienia o 40 [%] jest identyczny jak w przypadku samochodu osobowego i dostawczego, czyli mało istotny. 2.3. Charakterystyka obiektu analizy przejazdu według drugiej koncepcji W tym celu został zbudowany model przejazdu w systemie SolidWorks, którego ujęcie poglądowe przedstawiono na rysunku 7. Po wyznaczeniu momentów bezwładności poszczególnych elementów przejazdu, oraz opierając się na danych z badań doświadczalnych oraz informacjach uzyskanych z wcześniejszych opracowań dotyczących przejazdów kolejowych i tramwajowych, zbudowano model dynamiczny przejazdu kolejowego w systemie MSC Visual Nastran 4D, który posłużył do przeprowadzenia symulacji eksploatacyjnych obciążeń układu oraz określenie poziomu drgań elementów zabudowy przejazdu. Rys.7. Model przejazdu kolejowego wykonany w systemie SolidWorks 2.4. Wyniki badań symulacyjnych wibroizolowanego przejezdu kolejowo-drogowego z regulowaną sztywnością W badaniach symulacyjnych ograniczono się do analizy kilku przypadków, których parametry przedstawione są w tabeli 2. Tab.2. Parametry symulacji wibroizolowanego przejazdu z regulowaną sztywnością Współczynnik Masa Prędkość tłumienia Siła Nr Rodzaj samochodu samochodu elementu naciągu symulacji samochodu [kg] [km/h] gumowego cięgna [kn] [Ns/m] Siła w śrubach rzymskich [N] 1 osobowy 1300 30 12000 40 500 2 dostawczy 2500 30 12000 40 500 3 osobowy 1300 50 12000 40 500 4 dostawczy 2500 50 12000 40 500 5 osobowy 1300 70 12000 40 500 6 dostawczy 2500 70 12000 40 500 2212
Przemieszczenie [mm] Tab.2. Parametry symulacji wibroizolowanego przejazdu z regulowaną sztywnością Współczynnik Masa Prędkość tłumienia Siła Nr Rodzaj samochodu samochodu elementu naciągu symulacji samochodu [kg] [km/h] gumowego cięgna [kn] [Ns/m] Siła w śrubach rzymskich [N] 7 osobowy 1300 100 12000 40 500 8 dostawczy 2500 100 12000 40 500 9 osobowy 1300 70 12000 10, 20, 40, 60, 80, 100 500 10 dostawczy 2500 70 12000 10, 20, 40, 60, 80, 100 500 11 osobowy 1300 70 1000, 5000, 12000, 20000, 30000 40 500 12 dostawczy 2500 70 1000, 5000, 12000, 20000, 30000 40 500 Wyniki badań symulacyjnych przedstawiono w postaci wykresów na rysunkach 8 i 9 dla prędkości przejazdów pojazdów samochodowych wynoszącej 70 oraz 100 [km/h]. Przmieszczenie płyty środkowej 0,10 Symulacja_5 Symulacja_6 Samochód osobowy_1300 [kg] Samochód dostawczy_2500 [kg] 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15-0,20-0,25-0,30-0,35-0,40 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 Czas [s] Rys. 8. Przemieszczenie płyty środkowej przy prędkości samochodów 70 [km/h] 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 2213
Przemieszczenie Przemieszczenie płyty środkowej 0,10 Symulacja_7 Symulacja_8 Samochód osobowy_1300 [kg] Samochód dostawczy_2500 [kg] 0,05 0,00-0,05-0,10-0,15-0,20-0,25-0,30-0,35-0,40 0,02 0,03 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,15 0,16 Czas [s] Rys.9. Przemieszczenie płyty środkowej przy prędkości samochodów 100 [km/h] 0,17 0,18 0,19 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 Na rysunkach 8 i 9 przedstawione są symulacje przemieszczeń płyty środkowej przy przejeździe samochodu osobowego o masie 1300 [kg] i samochodu dostawczego o masie 2500 [kg] w zależności od prędkości przejazdu od 70 do 100 [km/h]. Na podstawie tych symulacji można stwierdzić, że amplituda przemieszczeń płyty środkowej zależy w sposób zasadniczy od masy pojazdu. Przeprowadzono również symulację w funkcji naciągu liny dla płyty środkowej w czasie przejazdu pojazdu osobowego i dostawczego przy stałej prędkości 70 [km/h] w funkcji naciągu cięgna. Na podstawie tych charakterystyk można stwierdzić wyraźny wpływ wartości siły naciągu cięgna na wartość amplitudy przemieszczeń płyty środkowej. Oznacza to, że w przypadku realizacji takiego modelu istnieje możliwość wpływu na parametry układu wibroizolacji w sposób dyskretny lub przy zastosowaniu automatycznych układów regulacji w sposób ciągły, poprzez dostrajanie wartości siły naciągu cięgna do parametrów dynamicznych pojazdów. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych symulacji efektów zastosowania elementów elastomerowych w przejazdach kolejowo drogowych można stwierdzić, że: w przypadku przejazdów kolejowo-drogowych tradycyjnych jak i z elementem regulującym sztywność np. lina, wpływ na amplitudę ma przede wszystkim masa pojazdu samochodowego, amplitudy sił przekazywanych do otoczenia są mniejsze niż przejazdów bez wibroizolacji, w przypadku przejazdu kolejowo-drogowego z elementem regulującym sztywność istnieje, możliwość znacznego ograniczenia amplitudy drgań jak również sił przekazywanych na otoczenie. Streszczenie Ponieważ szeroko rozumianemu transportowi towarzyszy nieodłącznie oddziaływanie dynamiczne na otoczenie powodujące drgania mechaniczne fundamentów, podłoża oraz konstrukcji inżynierskich, dążenie do minimalizacji ich szkodliwego działania jest koniecznością i doprowadziło do powstania zarówno nowych konstrukcji urządzeń transportowych o ograniczonej emisji energii wibroakustycznej jak i złożonych układów wibroizolacji stanowiących przeszkodę w rozprzestrzenianiu się drgań do środowiska naturalnego. Zniszczona nawierzchnia na wielu przejazdach zagraża płynności i bezpieczeństwu ruchu samochodowego. Jednym z najbardziej newralgicznych miejsc jest skrzyżowanie drogi dla pojazdów samochodowych z drogą dla pojazdów szynowych, a w szczególności z torowiskiem kolejowym. W pracy przedstawiono symulacje oddziaływań dynamicznych dwóch typów konstrukcji przejazdów kolejowo drogowych. Na ich podstawie określono skuteczność zastosowanego systemu wibroizolacji. Słowa kluczowe: przejazdy kolejowo-drogowe, symulacja, wibroizolacja 2214
Simulation studies rail-road crossings dynamics in order to minimize their impact on the environment Abstract Transport is accompanied by broadly understood inherently dynamic impact on the environment causing mechanical vibrations of foundations, ground and engineering structures. Striving to minimize their harmful effects is a necessity, and led to the development of both new construction transport equipment with limited energy emissions and complex vibro-acoustic vibration isolation systems which preclude the spread of vibrations in the environment. Destroyed surface on many journeys threatens liquidity and safety of traffic. One of the most critical locations are a railway crossings. The results of simulations of dynamic interactions of two types of construction of rail road crossings are presented. On this basis, one can determine the effectiveness of the used vibration isolation system. Keywords: rail-road crossings, simulation, vibration isolation BIBLIOGRAFIA 1. Adamczyk J., Stojek Z., Targosz J.,(1991) - Wibroizolacja podtorzy szynowych. PAN Oddział Kraków, Prace Komisji Mechaniki Stosowanej, Mechanika 15. 2. Adamczyk J., Stojek Z., Targosz J.: Wibroizolacja podtorzy szynowych. PAN, Mechanika 15, 1991. 3. Braunl T.: Embedded Robotics, Springer-Verlag, 2008. 4. Gerolymos N, Gazetas G.: Static and dynamic response of massive caisson foundations with soil and interface nonlinearities validation and results, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 26 377-394, 2006. 5. Targosz J. (2000) Theoretical basis of vibroisolation of the track structure. ZN AGH, Mechanika, t.19, z.2. 6. Targosz J.: Układy wibroizolacji w transporcie szynowym i samochodowym, Uczelnianie Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, 2007. 2215