Температурные условия в кабине машиниста - Исследование звукоизоляции конструкций ограждения кабины с различными материалами и их выбор по теплотехническим свойствам

Основные требования, предъявляемые к тепловозным шумозащитным конструкциям заключаются в том, чтобы уровни шума силовых установок в дизельном помещении на расстоянии 0,5м от них при работе под нагрузкой с максимальным числом оборотов не должны превышать:

Таким образом, для достижения в кабинах машиниста уровня шума, не превышающего кривую №75, приведенные значения шума дизелей в машинном помещении должны быть снижены на 5-6%.
Как известно, шум в кабину машиниста проникает двумя путями: по воздуху (воздушный шум) и по металлической конструкции тепловоза (материальный или корпусный шум).
Существенное снижение шума в кабине тепловоза можно достичь только при использовании комплекса мероприятий (рис. 51).  Отметим основные направления снижения уровня шума в кабине.
Для обеспечения нормативной кривой №75 звукоизоляция ограждения должна быть не менее следующих значений:

Окна кабин машиниста должны уплотняться резиновыми профилями. Раздвижные окна (боковые) должны плотно закрываться и не иметь "вредных" зазоров в направляющих. Двери должны иметь хорошую звукоизоляцию, уплотнение по контуру притвора и т.д.
Снижение корпускного шума необходимо осуществлять с помощью следующих мероприятий:

1. Агрегаты, создающие шум, должны устанавливаться на раму или другие несущие элементы через эластичные прокладки;
2. Кабина должна быть отделена от металлоконструкции рамы и присоединяться к ней и кузову через эластичные прокладки;
3. Наружный металлический лист каркаса должен иметь виброгасящие покрытия, толщина которых должна быть в 2-3 раза больше толщины металлического листа;
4. Исключаются все щели и неплотности в конструкции кабины при прокладке трубопроводов, тяг и т.д.

К звукозащитным средствам тепловозных кабин можно отнести следующие материалы:

1. Виброизоляция: резина, пробка, фетр;
2. Вибродемпфирующие покрытия:

мягкие: резина, пластмасса, технический войлок (большая величина модуля упругости);
жесткие: твердые пластмассы и мастики (большой коэффициент потерь на внутреннее трение).

Вибропоглощающее покрытие повышает звукоизоляцию демпфирующей корпусной конструкции на величину 4-535 на низких частотах и на 7-1200. на критических частотах.

  К звукопоглощающим материалам относятся такие, которые способны активно поглодать звуковую энергию. К ним относятся: плиты штапельного волокна, минераловатные плиты, поропластполиуретановые и др.
Однослойные звукопоглощающие конструкции следует применять в том случае, когда требуется получить большие коэффициенты поглощения на средних и высоких частотах. Для диапазона низких частот (100-200 гц) более эффективны многослойные конструкции. С увеличением толщины материала коэффициент звукопоглощения возрастает.
К звукоизолирующим материалам относятся такие, которые имеют большое удельное акустическое сопротивление, значительно превосходящее акустическое сопротивление воздуха.
Все звукоизолирующие конструкции можно разделить на две группы:
а) одностенные; б) двустенные;
а)    одностенные простые - корпусные конструкции без каких-либо покрытий;
одностенные слоистые на корпуса конструкции нанесен слой материалов;
б)    двустенные  простые  -две стенки из плотного материала , непроницаемого для воздуха (корпусная конструкция и обшивка) с воздушным промежутком между ними двустенные многослойные на корпусную конструкцию и обшивку, а также между ними нанесены и устанавливаются слей различных материалов.
Обшивка крепится к корпускной конструкции с помощью звуковых или звукоизоляционных мостиков (шпильки, бруски,

обрешетка - они являются проводниками, ухудшают звукоизоляцию стенок конструкции - это звуковые мостики). Звукоизолирующие мостики препятствуют передаче звука от корпускной конструкции к обшивке.
Изложенные выше соображения, всесторонне характеризуют конструкцию ограждения кабины, способствующая уменьшению уровня шума.
В настоящее время в официальной литературе отсутствуют какие-либо данные по выбору материалов, обладающие и теплоизоляционными свойствами для ограждения кабины.
Как известно, шумоизоляционные материалы (минеральная вата, капроновое волокно и т.д.) укладываются небольшими по размеру прямоугольниками в нишу каркаса, выполненного из деревянных брусов. При этом, в местах сопряжения материала с брусом образуются неплотности (щели), через которые проникает внутрь кабины не только шум, но происходит утечка или приток тепла при работе тепловозов, соответственно, в зимних и летних условиях.
В результате образуются "теплошумовые мостики", способствующие интенсивному проникновению как шума, так и тепла (утечке) при работе тепловозов.
При проектировании кабины машиниста приходится учитывать особенность конструкции ограждения (мостики) и производить громоздкие вычисления по определению общего термического сопротивления всей поверхности кабины. Поэтому не случайно мы имеем высокие уровни шума (до 80-9055 - 2ТЭ10И), а также средний коэффициент теплопередачи (Ktp=2,14 ккал/ккал/м²ч°С) ограждения кабины.

Основным источником воздушного шума на тепловозах, как ге известно, является дизель-гераторная установка и вспомогательное оборудование. Для создания комфортных условий для обслуживающего персонала, машинное помещение от кабины отделяется задней стенкой, толщиной порядка 100-110 ми. Она должна обладать не только высоким термическим сопротивлением но и обеспечивать (согласно 75 нормативной кривой) надлежащий уровень шума в широком диапазоне частот (от 63 до 8000 Гц). Поэтому к критерию оценки ограждающей конструкции необходимо отнести звукоизоляцию конструкции ограждения кабины (например, на тепловозе 2ТЭ116 по этой причине была установлена вторая перегородка в районе главного генератора).
Для оценки звукоизолирующей способности кабины тепловоза 2ТЭ10Д нами была проведена качественная оценка различных материалов в структуре ограждения. При этом за образец была принята существующая на тепловозе 2ТЭ10Л конструкция задней стенки, состоящая из стального листа с нанесенной на него противошумной мастикой, слоя стекловаты толщиной 60 мм, листа фанеры толщиной 10 мм , капронового волокна-
5 = 40 мм и перфолиста. Относительно этой конструкции (см_ гл. 2, рис, 22 , образец № I) сравнивались остальные виды конструкций ограждения. Всего нами было испытано 6 видов ограждений с различными типами материалов, уложенных в качестве наполнителей (рис.  22).
Заметим, что новый материал (пенополистирол) испытывался в сочетании с применяемыми в тепловозостроении, а также конструкция, состоящая из двух слоев пенополистирола с прокладкой из фанеры между ними (вариант №3, рис.  22). Кроме того, отдельно испытывалась конструкция, состоящая из пенополистирола, толщиной 100 мм, в ограждении кабины.
На основании опытных данных при изучении звукоизоляции различных материалов в структуре ограждения были построены зависимости ,. (рис.  52,53)
Проведенные исследования на акустической камере различных вариантов ограждения кабины показали (рис.  52), что в общем случае характер изменения звукоизоляции в диапазоне частот 500-8000 гц примерно одинаков и увеличивается с увеличением частоты.
На низких частотах (до 500 гц) рост звукоизоляции ограждения неравномерен. Наблюдаются пики и впадины, что в известной степени можно объяснить неравномерностью уровней звукового давления в камере высокого уровня. Особенно неравномерный уровень звукового давления отмечается в пределах частот от 250 до 500 Гц.
Однако это не макет повлиять на общую оценку звукоизолирующей способности ограждения, так как нами производится качественная оценка отдельных конструкций. При этом за базовый вариант конструкции стенки, как уже было сказано ранее, принята конструкция, разделяющая кабину от дизельного помещения (рис.  52а,5 , кривая I). Относительно этой зависимости сравнивалась звукоизоляция других конструкций (рис.  55а,5).

Из рисунка видно, что наиболее лучшие показатели звукоизоляции у конструкции, показанной зависимостью 3 (рис.  53а) особенно на низких (до 200 гц) и высоких (от 500 до 800 и от 2000 до 8000 Гц) частотах, В этих пределах частот наблюдается даже улучшение звукоизоляции конструкции на 1-655 по сравнению с существующей.
Несколько худшие показатели у конструкции ограждения, показанной кривой 2. Однако можно считать, что данная конструкция может быть рекомендована в качестве звукоизолирующей.
Беспреспективными конструкциями ограждения, на наш взгляд, можно считать структуры стенок, характеризующиеся зависимостями 4,5,6 на рис.  53.5 . Однако имеются основания полагать [63] , что улучшение звукоизоляции указанных конструкций можно значительно улучшить за счет нагруженного (обжатого) состояния материала.
Лучше других материалов, указанному выше состоянию, может подвергаться пенополистирол. Несмотря на относительно неудовлетворительную способность своей звукоизоляции (рис. 55  кривая 6) он может быть применен с успехом в том случае, если выбрать такое "напряженное состояние", при котором его акустические свойства были бы наиболее эффективными. Однако этот вопрос специальных исследований и в данной работе не рассматривается. Учитывая, что пенополистирол можно вспенивать на месте; нам представляется возможным его применение без какого-либо дополнительного звукоизоляционного материала. Об этом свидетельствует кривая 3 на рис.  63а (конструкция стенки, состоящая из двух слоев пенополистирола толщиной по 45 мм с листом из фанеры между ними).
Таким образом полученные данные по теплотехническим и звукоизоляционным свойствам испытанных материалов дают возможность сделать вывод о возможности применения пенополистирола в ограждении кабины машиниста. Он отвечает большинству требований, предъявляемых к материалам в конструкция стенок тепловозов и, в том числе, обладает низким коэффициентом теплопроводности по сравнению с другими материалами, применяемыми в ограждении. Приведем данные коэффициентов теплопроводности некоторых материалов, применяемых в ограждении кабины.
Для точного определения коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции кабины нами были проведены исследования по изучению коэффициента теплопроводности (1) отдельных элементов стенки. Испытания проводились при средней температуре равной 26°С. Толщина испытуемых образцов имела размеры , применяемые в ограждении кабины.
Результаты исследований сведены в табл. 3 , из которой видно, что в основном теплоизоляционные материалы, применяемые в тепловозостроении, имеют достаточно низкие коэффициенты теплопроводности. Однако, как уже указывалось, при укладке их в качестве обшивы кабины отдельными плитами в местах стыка образуются щели, ведущие к повышению среднего коэффициента теплопередачи стенки. Некоторые материалы (например мипора) имеют малую механическую прочность, поэтому в процессе эксплуатации разрушаются, что так же приводит к увеличению теплорассеивающей способности ограждения кабины.

таблица &

Учитывая вышеизложенное, на наш взгляд, наиболее подходящим является новый теплошумоизоляционный материал - пенополистирол с коэффициентом теплопроводности- Он имеет ряд преимуществ перед другими материалами и изготавливается в навей стране в достаточном количестве. Стоимость 1 м³ составляет примерно 40 руб.
Указанный выше теплоизоляционный материал, предлагаемый в данной работе для кабин машинистов, обладает следующими свойствами:

1. Способность вспенивания на месте и заполнения им пустот между внутренней и внешней обшивы кабины сплошным слоем. Такой способ укладки исключает возможность появления щелей в ограждении, так как обладает способностью увеличиваться в объеме в 20-30 раз;
2. Обладает достаточной механической прочностью (предел прочности при изгибе
3. Водопоглощение 2-5%, что очень важно при эксплуатации тепловозов в условиях с повышенной влажностью воздуха, большим количеством осадков;
4. Самозатухающий (относится только к типу ПСБ-С), т.е. при удалении открытого огня прекращается процесс его разложения.

Вместе с тем пенополистирол имеет недостатки, одним из которых является его теплостойкость. Свои свойства он может сохранять при температуре не более +7θΡθ. Поэтому желательно, чтобы в месте его контакта с внешней и внутренней обшивой кабины имелась бы прослойка материала с невысоким коэффициентом теплопроводности (). Таким "изолятором" на тепловозе является противошумная мастика, нанесенная на внутреннюю поверхность металлического листа обшивы кабины.

Применение новых материалов на основе высокомолекулярных соединений - полимеров позволит значительно снизить коэффициент теплопередачи стенок кабины машиниста за счет уменьшения поверхности тепловых мостиков (каркаса), исключения щелей. Вместе с тем упрощается технология и сократите: время сборки кабины.

Выводы

1. Опытные данные и принятая методика их обобщения позволила определить коэффициенты теплоотдачи а также средний коэффициент теплопередачи стенки (металлической обшивы) кабины без теплоизоляции при различных условиях исследований. При этом исследованиями по изучению распределения давлений по поверхности модели было установлено влияние высоты рабочей щели на характер аэродинамики.
2. В результате математической обработки экспериментальных данных на первом этапе были получены зависимости, позволяющие с точностью от 0,27% до 12,25%, в зависимости от линейной скорости движения воздуха, производить расчет теплоотдачи поверхностью модели кабины.
3. В целях обобщения и распространения полученных результатов на все подобные между собой процессы по теплообмену были получены уравнения в критериях подобия. Они дают возможность производить расчет теплообмена для существующих и вновь проектируемых кабин (передней и боковых стенок, приближенно для крыши) с погрешностью - 5% до скорости движения тепловозов порядка 180 км/ч.
4. Анализ опытных данных показал, что максимальный коэффициент теплопередачи стенки кабины без изоляции примерно в 1,3 раза больше, по сравнению с коэффициентом теплопередачи существующей конструкции ограждения и в 2,58 раза больше по сравнению с конструкцией , имеющая пенополистирол.
5. Анализ показал, что полученные коэффициенты теплоотдачидостоверны. Средний коэффициент теплопередачи ограждения существующей кабины тепловоза  2ТЭ10Л в этом случае был равен, что на 8,4% больше опытного, полученного ЦНИИ МПС.
6. Полученные значения тепла, рассеиваемого ограждением кабины , велики я составляют около 4700 ккал/ч при

. Эту величину можно существенно снизить (на 53%) за счет применения в структуре ограждения пенополистирола.

1. Проведенные исследования образцов различных конструкций ограждения на звукоизоляцию показали, что наиболее перспективной является конструкция, состоящая из двух слоев пенополистирола с листом фанеры между ними. Эта конструкция приводит даже к улучшению звукоизоляции на 1-6<36 по сравнению с существующей. Однако имеются основания полагать, что в качестве наполнителя ограждения кабины можно применить один слой пенополистирола (например, для задней стенки), толщиной 100 мм. При этом звукоизоляцию ограждения можно улучшить за счет нагруженного (обжатого) состояния материала.
2. Исследованиями по определению коэффициента теплопроводности на стопе Бокжа образцов стенки кабины тепловозов

  2ТЭ10Л и предлагаемых нами материалов было установлено, что наиболее эффективным, по сравнению с существующими, "теплоизолятором" является пенополистирол. В связи с этим нами предлагается этот материал в качестве теплоизоляционного, позволяющий существенно снизить средний коэффициент теплопередачи ограждения кабины.