RAPORT ŞTIIN IFIC ŞI TEHNIC Contract de finanţare: 76PED 2017 Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0748 Titlul proiectului: Demonstrator experimental al unui amortizor de şină inovativ cu elemente elastice de cauciuc şi amortizare cu ulei Etapa 2: Stabilirea Măsurători pentru testarea func ionalită ii amortizorului de şină şi verificarea performan elor în condi ii de laborator. Diseminarea rezultatelor Director de proiect: Prof.dr.ing. Traian Mazilu
2.1. Stabilirea şi realizarea configura iei sistemului de măsurare pentru testarea func ionalită ii amortizorului de şină 2.1.1. Stabilirea domeniilor măsurabile şi a parametrilor de achizi ie date Etapa a doua a proiectului este dedicată cercetărilor experimentale privind verificarea funcţionalităţii amortizorului de şină şi evaluarea performanţelor acestuia. Cercetările experimentale sunt centrate pe determinarea răspunsului în frecvenţă al unor cupoane de şină cu sau fără amortizoare de şină montate şi al unor părţi componente ale amortizorului (corpul exterior). Metoda utilizară pentru determinarea experimentală a răspunsului în frecvenţă este metoda ciocanului de impact. Această metodă se bazează pe măsurarea acceleraţiei unei structuri atunci când se induc vibraţii tranzitorii prin lovirea în anumite puncte cu un ciocan de impact. Răspunsul în frecvenţă se obţine prin prelucrarea acceleraţiei pe durata regimului tranzitoriu indus şi a forţei aplicate în timpul impactului utilizând transformarea Fourier discretă. Forţa de impact trebuie să fie suficient de mare pentru a asigura un regim tranzitoriu consistent, iar din acest punct de vedere literatura de specialitate indică valoarea de 400 N. În ceea ce priveşte acceleraţia măsurată, dispozitivele utilizate trebuie să fie capabile să măsoare acceleraţii de ordinul sutelor de m/s2. Foarte important pentru aplicaţia de faţă este domeniul de frecvenţă în care se determină răspunsul în frecvenţă. Din acest punct de vedere este necesar ca frecvenţele puse în evidenţă să fie cuprinse între Hz şi 2 khz pentru a acoperi domeniul în care lucrează de regulă amortizoarele de şină. 2.1.2. Configura ia sistemului de măsurare pentru testarea func ionalită ii amortizorului de şină Funcţionalitatea amortizorului se testează prin punerea în evidenţă a diferenţelor care apar în răspunsul în frecvenţă al unui cupon scurt de şină atunci când acesta este prevăzut cu amortizoare de şină comparativ cu situaţia în care cuponul nu are amortizoare. De asemenea, acelaşi cupon va fi utilizat pentru a evalua răspunsul în frecvenţă al corpului exterior al amortizorului care va fi comparat cu răspunsul în frecvenţă al şinei. 2.1.2.1. Schema bloc a sistemului de măsurare pentru testarea func ionalită ii amortizorului de şină Măsurarea vibraţiilor cuponului scurt de şină, respectiv a acceleraţiilor la capetele cuponului şi la mijlocul acestuia, şi a forţei de impact presupune utilizarea mai multor aparate specializate care sunt legate între ele formând astfel un sistem de măsurare. 1
Fig. 2.1. Structura generală a sistemului de testare a funcţionalităţii amortizorului de şină. În figura 2.1 este prezentată structura generală a sistemului de testare a funcţionalităţii amortizorului de şină. Acesta se compune din două accelerometre, aparate de eşantionare şi condiţionare a semnalului electric şi transferul datelor echipamentul de achiziţie şi prelucrare a datelor, şi un ciocan de impact. Toate aceste aparate sunt conectate la un calculator. În continuare sunt prezentate caracteristicile generale ale echipamentelor care intră în componenţa sistemului de testare a funcţionalităţii amortizorului de şină. 2.1.2.2. Caracteristicile generale ale accelerometrelor piezoelectrice. Caracteristicile accelerometrului piezoelectric Brüel & Kjær tip 4514 Aşa cum se cunoaşte, accelerometrele piezoelectrice reprezintă cea mai bună soluţie pentru toate măsurările de vibraţii datorită unor avantaje incontestabile: precizie, liniaritate pentru un domeniu dinamic extins, gama largă a frecvenţelor de lucru, menţinerea în timp a sensibilităţii, robusteţe, masă mică, semnalul electric dat de accelerometru poate fi integrat şi se obţine viteza şi deplasarea, nu necesită sursă de alimentare. La alegerea accelerometrelor piezolectrice trebuie să se aibă în vedere o serie de caracteristici ale acestora. Caracteristica cea mai importantă a accelerometrului este sensibilitatea care reprezintă raportul dintre mărimea de ieşire şi cea de intrare. Mărimea de ieşire poate fi sarcina electrică sau tensiunea electrică la bornele accelerometrului, iar mărimea de intrare este acceleraţia măsurată. Corespunzator celor două mărimi de ieşire, avem sensibilitatea în sarcină electrică exprimată în mod obişnuit în pc/(m/s2) şi, respectiv, sensibilitatea în tensiune exprimată în mv/(m/s2). Aşadar, notând cu q sarcina electrică şi cu u tensiunea de ieşire a accelerometrului când este supus unei acceleraţii a, rezultă relaţiile pentru cele două sensibilităţi S qa q u, Sua. a a Este evident faptul că există o legătură între cele două sensibilităţi şi această legătură se obţine ţinând seama de relaţia dintre sarcina electrică şi tensiunea la bornele unui condensator de capacitate C q Cu. 2
Fig. 2.2. Sensibilitatea accelerometrului în funcţie de frecvenţă. În cazul accelerometrului, trebuie să avem în vedere capacitatea echivalentă a acestuia care se obţine luând în considerare capacitatea electrică a traductorului piezoelectric şi cea a cablului de legătură. Rezultă Sua S qa Ce, în care Ce = C + Cc este capacitatea echivalentă. Cum cele două capacităţi lucrează în paralel, rezultă că sensibilitatea în tensiune a accelerometrului scade pe măsură ce capacitatea cablului este mai mare, respectiv cablul este mai lung. Datorită rezonanţei sistemului oscilant, sensibilitatea nu este constantă, ceea ce limitează domeniul de utilizare în frecvenţă, respectiv la frecvenţe înalte (fig. 2.2). Se spune că accelerometrul introduce distorsiuni de amplitudine pentru că are sensibilităţi diferite pentru acceleraţii de frecvenţe diferite. În figura menţionată, frecvenţa de rezonanţă este notată cu fm iar frecvenţa relativă reprezintă frecvenţa acceleraţiei măsurate raportată la frecvenţa de rezonanţă. Din cauza faptului că amortizarea accelerometrului este foarte mică, defazajul dintre semnalul electric furnizat de accelerometru şi acceleraţia măsurată este practic nul pe un domeniu extins de frecvenţă. Totuşi, în apropierea frecvenţei de rezonanţă apar aşa numitele distorsiuni de fază care afectează acurateţea măsurării (fig. 2.3). Influenţa rezonanţei se manifestă şi atunci când sunt măsurate vibraţii tranzitorii al căror spectru larg excită rezonanţa accelerometrului. Din această cauză apar distorsiuni ale semnalului de ieşire aşa cum se poate vedea în figura 2.4. Pentru a evita influenţa rezonanţei asupra sensibilităţii, se utilizează un filtru trece jos pentru condiţionarea semnalului de la accelerometru. Acesta are o frecvenţă de tăiere definită ca fiind frecvenţa la care atenuarea atinge 3 db. La frecvenţe mai mari decât frecvenţa de tăiere, filtrul trebuie să asigure o atenuare mare, de cel puţin 12 db/octavă. Se recomandă ca frecvenţa de tăiere a filtrului trece jos să fie jumătate din frecvenţa de rezonanţă a accelerometrului. 3
Fig. 2.3. Răspunsul în fază al accelerometrului piezoelectric. Fig. 2.4. Distorsiuni la măsurarea unei vibraţii tranzitorii. O proprietate de bază a oricărui instrument de măsură este liniaritatea între mărimea de ieşire şi cea de intrare. În ceea ce priveşte accelerometrul piezoelectric, liniaritatea înseamnă că între tensiunea de ieşire şi acceleraţia măsurată există o relaţie de directă proporţionalitate şi această caracteristică se manifestă pe un domeniu dinamic foarte mare ce acoperă 160 db (raportul dintre limita minimă şi cea maximă este 8) şi pe o bandă foarte largă de frecvenţă. Această calitate se datorează proprietăţii de liniaritate a traductorului piezoelectric. Aşa cum s-a arătat, vibraţiile vehiculelor feroviare sunt complexe şi nu se dezvoltă doar după o singură direcţie. Ca urmare, măsurând acceleraţia după o anumită direcţie, accelerometrul va fi expus şi la o componentă transversală care va conduce la apariţia unui semnal de ieşire. Se spune că accelerometrul posedă sensibilitate transversală şi aceasta se datorează neomogenităţii materialului piezoelectric sau imperfecţiunilor de fabricaţie. Semnalul datorat sensibilităţii transversale se va suprapune peste semnalul datorat vibraţiei pe direcţia principală de lucru afectând astfel acurateţea măsurării. De regulă, sensibilitatea transversală se exprimă ca un procent din sensibilitatea pe direcţia principală a accelerometrului (fig. 2.5). La accelerometrele de tip Brüel & Kjær sensibilitatea transversală este sub 4 % la 30 Hz. 4
Fig. 2.5. Sensibilitatea transversală a accelerometrului. Semnalele electrice produse de traductoarele piezoelectrice sunt prea slabe şi improprii prelucrării directe, motiv pentru care accelerometrul trebuie să lucreze împreună cu un preamplificator. Trebuie menţionat faptul că accelerometrul prezintă o impedanţă de ieşire suficient de mare ca să afecteze prelucrarea semnalului în celelalte componente ale sistemului de măsurare. Prin trecerea semnalului de la accelerometru printr-un preamplificator se obţine modificarea impedanţei întrucât preamplificatorul are o impedanţă de ieşire foarte mică. Utilizarea preamplificatorului conduce la apariţia efectului de filtru trece sus datorat capacităţii traductorului piezoelectric şi impedanţei de intrare a preamplificatorului. Filtrul trece-sus format de cele două elemente de circuit, limitează sensibilitatea accelerometrului în domeniul frecvenţelor joase şi deci posibilitatea de utilizare a acestuia. Practic, accelerometrul piezoelectric nu poate măsura acceleraţii statice, cum este de exemplu acceleraţia gravitaţională. În ceea ce priveşte limita minimă a acceleraţiei ce poate fi măsurată, aceasta este în corelaţie cu raportul semnal/zgomot din lanţul de măsurare şi acest raport trebuie să fie mai mare de db. Zgomotul poate să provină de la cablurile de legătură prea lungi şi neancorate, de la circuitele electronice şi chiar de la accelerometru. Traductoarele piezoelectrice prezintă o anumită variabilitate a proprietăţilor în funcţie de temperatură şi acest aspect duce la modificarea sensibilităţii accelerometrului în funcţie de temperatură. În unele situaţii, este necesar ca rezultatele măsurării să fie corectate plecând de la diagrama variaţiei sensibilităţii accelerometrului cu temperatura. De asemenea, variaţia temperaturii influenţează măsurarea acceleraţiilor mici sau la frecvenţe joase. Pentru măsurarea acceleraţiilor la nivelul cadrului de boghiu Fig. 2.6. Accelerometrul se vor utiliza accelerometre piezolectrice marca Brüel & Kjær tip Brüel & Kjær tip 4514. 4514 (v. fig. 2.6). 5
Domeniul de măsurare al accelerometrului acoperă o bandă foarte largă de frecvenţă ce se întinde până la cca. khz. Acest lucru este permis de valoarea înaltă a frecvenţei de rezonanţă care este situată la 32 khz. Sensibilitatea transversală, determinată la 30 Hz pentru o acceleraţie de 0 ms-2, este mai mică de 5% din sensibilitatea pe direcţia principală. Domeniul de măsurare acoperă plaja ±4900 ms-2. Impedanţa de ieşire este 20. Zgomotul intern are valoare eficace de 8 mv în toată banda de frecvenţă de la 1 Hz la khz. Această valoare corespunde unei acceleraţii eficace de 0,008 ms-2. Coeficientul de sensibilitate în funcţie de temperatură este 0,11% / ºC, iar accelerometrul poate lucra la temperaturi cuprinse între -51 şi 121 ºC. Construcţia accelerometrului este din titan, iar elementul piezoelectric este de tip ceramic. Construcţia este compactă, având dimensiunile 14,5 mm 23 mm, foarte robustă şi rezistentă la şocuri de până la 50 kms -2. Accelerometrul este protejat împotriva umezelii sau apei, construcţia sa fiind perfect ermetică. În fine, să mai reţinem faptul că masa accelerometrului este foarte mică, de numai 8,6 grame. În figura 2.7 este prezentat răspunsul în frecvenţă al accelerometrului. Se precizează că aceasta se determină pentru fiecare accelerometru în parte. În cazul de faţă, sensibilitatea accelerometrului este de 1,006 mv/ms-2 şi ea a fost stabilită prin măsurarea unei acceleraţii sinusoidale având valoarea eficace de 20 ms-2 la frecvenţa de 159,2 Hz, temperatura ambiantă fiind de 22,5 ºC. În diagramă apare abaterea procentuală faţă de această valoare. Fig. 2.7. Răspunsul în frecvenţă al accelerometrului Brüel & Kjær tip 4514. Fig. 2.8. Fixarea accelerometrelor la un capăt al cuponului de şină şi la mijlocul acestuia. Fig. 2.9. Fixarea accelerometrelor la cele două capete ale cuponului de şină. 6
Fixarea accelerometrului de cuponul de şină se poate face cu ştift, magnet sau prin lipire. Indiferent de soluţie, este necesar ca fixarea să fie fermă şi cât mai rigidă astfel încât rezultatele să nu fie influenţate de rezonanţa prinderii accelerometrului. Este necesar ca suprafaţa de fixare să fie curată, plană şi lustruită. Abaterea de planeitate nu trebuie să depăşească m, iar rugozitatea trebuie să fie mai mică de 2 m. Pentru măsurarea vibraţiilor cuponului de şină s-a optat pentru fixarea accelerometrelor cu ajutorul unor ştifturi care se înfiletează în piluliţele lipite cu adeziv la cele două capete ale cuponului de şină şi la mijlocul acestuia. Un exemplu pentru un astfel de montaj este prezentat în fig. 2.8 şi fig. 2.9. 2.1.2.3. Caracteristicile echipamentului de achizi ie şi prelucrare a datelor Pentru achiziţia şi prelucrarea acceleraţiilor măsurate la nivelul cadrului de boghiu s-au utilizat echipamente produse de National Instruments, cuprinzând un ansamblu format din şasiul de achiziţie şi prelucare a datelor tip NI cdaq-9174 (National Instruments Compact DAQ) în care se pot monta module seriale având diverse funcţii specializate. Şasiul pentru achiziţia de date NI cdaq 9174, prezentat în fig. 2., este prevăzut cu 4 canale, fiind proiectat pentru utilizarea modulelor seriale I/O (intrare/iesire input/output). Acesta poate fi folosit la măsurarea unui domeniu larg de semnale analogice şi digitale utilizând o interfaţă USB de mare viteză. Fiecare canal are un convertor digital-analog care produce un semnal de tensiune şi este protejat la supratensiune şi scurt circuit. Fig. 2.. Ansamblul şasiu NI cdaq 9174 module seriale. În figura 2.11 este prezentată o schiţă a şasiului în care se pot observa zona conectorilor de alimentare şi conexiune USB şi zona sloturilor de conectare a modulelor seriale. Sistemul de achiziţie a datelor (v. fig. 2.12) are trei componente: modulele seriale de intrare/ieşire (C Series I/O modules), interfaţa modulului de achiziţie a datelor (cdaq) şi STC 3. În funcţie de specificul aplicaţiei, aceste componente digitalizează semnale, efectuează conversii D/A (digital/analog) pentru a genera semnale analogice de ieşire, măsoară şi controlează semnalele digitale I/O şi asigură condiţionarea semnalelor. 7
Fig. 2.11. Şasiu NI cdaqtm-9174: 1. LED-uri pentru stările de lucru (alimentare, pregătire, activare); 2. conector USB; 3. conector de alimentare, 4. sloturile modulelor; 5. şurub pentru împământare. Fig. 2.12. Diagrama bloc a sistemului de achiziţie a datelor. Modulele seriale (C Series I/O) realizează condiţionarea semnalului. Este disponibilă o mare varietate de tipuri de semnale I/O, permiţând adaptarea uşoară a sistemului de achiziţie a datelor la aplicaţiile industriale şi de cercetare. Modulele seriale sunt interschimbabile şi sunt identificate automat de către sistemul de achiziţie a datelor. Canalele I/O sunt accesibile utilizând programe specializate. Modulele seriale lucrează cu orice tip de semnal şi acoperă un domeniu extins de tensiune şi de aceea, senzorii sau Fig. 2.13. Modulul serial NI 9234. actuatoarele se conectează direct la acestea. Modulele seriale I/O asigură izolarea între canal şi masă, precum şi între canale. Interfaţa modulului de achiziţie a datelor manageriază transferurile de date între STC 3 şi modulele seriale. De asemenea, interfaţa manipulează autodetecţia, preluarea semnalelor şi sincronizarea. Modulul STC 3 gestionează independent mai multe fluxuri de date de mare viteză, semnale analogice şi digitale de intrare-ieşire, semnale de la interfaţa funcţiilor programabile, achiziţionează şi generează unde de semnale digitale, stabileşte moduri de activare etc. Pentru preluarea şi sinteza fluxului de date analogice de la cele două accelerometre se utilizează modulul NI 9234 (fig. 2.13). Acesta este prevăzut cu patru canale, capabil să 8
lucreze cu mare precizie pentru măsurători în domeniul frecvenţelor înalte efectuate cu senzori piezoelectrici (accelerometre sau microfoane). Domeniul dinamic al modulului acoperă 2 db, iar frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal este de până la 51,2 khz. Pentru evitarea efectului de suprapunere a componentelor spectrale, modulul are încorporate filtre antialiasing care se acordează automat în funcţie de frecvenţa de eşantionare. Sistemul de măsurare a vibraţiilor prezentat este conectat la un laptop în care este implementat mediul software Matlab, în care va fi dezvoltată aplicaţia software de achiziţie de date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaţa utilizator. 2.1.2.4. Caracteristicile ciocanului de impact Pentru excitarea vibraţiilor cuponului de şină s-a utilizat un ciocan de impact National Instruments, tip PCB Modally Tuned ICP (IEPE), model 086C03. Curbele răspunsului în frecvenţă sunt prezentate în figura 2.14. Se observă că utilizarea capului de lovire dur asigură un răspuns corespunzător într-un domeniu larg de frecvenţă ce depăşeşte 2000 Hz, motiv pentru care acest tip de cap de lovire a fost folosit pentru a excita cuponul de şină. Tabelul 2.1 prezintă principalele caracteristici ale ciocanului de impact model 086C03. Fig. 2.14. Curbele de răspuns în frecvenţă ale ciocanelor de impact model 086C02, C03, C04 şi C40 în funcţie de capul de lovire. 9
Tabelul 2.1. Caracteristicile ciocanului de impact model 086C03. Caracteristica Sensibilitatea Domeniul de măsurare Frecvenţa de rezonanţă Neliniaritatea Tensiunea de alimentare Curentul de excitaţie Impedanţa de ieşire Constanta de timp la descărcare Elementul sensibil Masa ciocanului Masa corpului adiţional Domeniul 2,25 mv/n 2200 N pentru vârf 22 khz 1% 18-30 V cc 2-20 ma < 0 2000 s Cristal de cuarţ 0,16 kg 0,075 kg 2.2. Realizarea măsurătorilor pentru testarea func ionalită ii amortizorului de şină 2.2.1. Măsurarea răspunsului dinamic al amortizorului Determinarea experimentală a răspunsului dinamic al amortizorului este dificilă datorită structurii amortizorului. Se menţionează faptul că nu pot fi montate accelerometre pe corpul interior în condiţiile în care acesta este montat prin inelele de cauciuc în corpul exterior. De asemenea, nici pe corpul exterior nu pot fi montate accelerometre pentru că acesta este montat prin vulcanizare în carcasa de cauciuc. Fig. 2.15. Determinarea experimentală a răspunsului dinamic al corpului exterior.
În aceste condiţii, s-au efectuat totuşi două seturi de încercări, ambele având ca scop să pună în evidenţă, fie şi parţial, caracteristicile dinamice ale amortizorului. Primul set de încercări a avut ca obiect determinarea răspunsului dinamic al corpului exterior al amortizorului, iar pentru aceasta a fost îndepărtată carcasa de cauciuc, iar ansamblul a fost suspendat prin elemente elastice de un cadru metalic (fig. 2.15). Au fost montate accelerometre la capetele corpului exterior şi s-au aplicat lovituri cu ajutorul ciocanului de impact la mijlocul corpului exterior. Receptanţa radială a corpului exterior a fost obţinută prelucrând media acceleraţiilor măsurate. În acest mod a fost eliminată eventuala componentă de galop excitată datorită abaterii punctului de impact al ciocanului în raport cu mijlocul corpului exterior. Receptanta (m/n) -3-4 -5-6 -7-8 -9 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.16. Receptanţa radială a corpului exterior. Fig. 2.17. Determinarea experimentală a răspunsului dinamic al corpului exterior amortizor montat pe şină (excitaţie verticală). 11
Figura 2.16 arată receptanţa radială a corpului exterior determinată prin metoda descrisă mai sus. Se observă alura tipică unui sistem cu două grade de libertate cu un singur mod de vibraţie. Receptanţa unui astfel de sistem prezintă o frecvenţă de anti-rezonanţă şi o alta de rezonanţă, mai înaltă. În cazul de faţă, se înregistrează regimul anti-rezonant la cca. 140 Hz şi regimul rezonant amortizat la 172 Hz. La frecvenţe mai mari se pot observa o serie de minime şi maxime datorate în principal răspunsului structural al corpului exterior. Fig. 2.18. Determinarea experimentală a răspunsului dinamic al corpului exterior amortizor montat pe şină (excitaţie laterală). Receptanta (m/n) -5-6 -7-8 -9 - -11-12 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.19. Răspunsul dinamic al corpului exterior la excitaţie verticală: receptanţa şinei negru, receptanţa corpului exterior roşu. Al doilea set de încercări au fost efectuate pe un cupon de şină de tip UIC 49, având lungimea de 735 mm, rezemat pe două plăcuţe de şină distanţate la 60 cm, simetrice în raport cu mijlocul cuponului de şină. Pe cuponul de şină sunt montate la mijloc două amortizoare. 12
La un amortizor, carcasa de cauciuc a fost îndepărtată pe o mică porţiune circulară pentru a permite montarea prin lipire a două accelerometre, unul pe direcţie verticală şi un altul pe direcţie laterală (fig. 2.17). De asemenea, s-a montat un accelerometru pe suprafaţa de rulare a şinei pentru determinarea răspunsului la excitaţie verticală (fig. 2.17), iar apoi accelerometrul a fost montat pe flancul şinei pentru determinarea răspunsului lateral (fig. 2.18). În ambele cazuri, excitaţia a fost aplicată cât mai aproape de mijlocul cuponului. Figurile 2.19 şi 2.20 prezintă răspunsul dinamic al corpului exterior la excitaţie verticală şi, respectiv, la excitaţie laterală. Pentru comparaţie, în figurile menţionate mai apar receptanţa verticală a şinei şi cea laterală. Receptanta (m/n) -5-6 -7-8 -9 - -11-12 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.20. Răspunsul dinamic al corpului exterior la excitaţie laterală: receptanţa şinei negru, receptanţa corpului exterior roşu. În cazul excitaţiei verticale (v. fig. 2.19), analiza răspunsului şinei relevă o antirezonanţă la cca. 670 Hz urmată de o rezonanţă la aprox. 75 Hz (v. curba de culoare neagră). La frecvenţe mai joase, răspunsul şinei este dominat de trei frecvenţe de rezonanţă la, 77 şi 120 Hz care sunt datorate rezemării cuponului de şină. Se observă că răspunsul corpului exterior este mai mare decât cel al ciupercii şinei în domeniul de frecvenţă cuprins între 60 şi 700 Hz, ceea ce semnifică că acesta preia cea mai mare parte din energia provenită de la factorul de excitaţie. În cazul excitaţiei laterale (fig. 2.20), răspunsul şinei este mai bogat în rezonanţe care apar la 470, 30 şi 1500 Hz şi anti-rezonanţe a se vedea frecvenţele de 340, 980 şi 1750 Hz. Corpul exterior vibrează mai intens decât şina într-un domeniu restrâns de frecvenţă centrat pe frecvenţa de anti-rezonanţă. 13
2.2.2. Raportul de testare a func ionalită ii amortizorului de şină în condi ii de laborator Testarea propriu-zisă a funcţionalităţii amortizorului de şină a fost efectuată pe cuponul scurt de şină prin compararea răspunsului dinamic al şinei cu amortizoare montate cu cel obţinut în cazul şinei fără amortizoare. În ambele cazuri excitaţia a fost aplicată la mijlocul cuponului şi s-au măsurat acceleraţiile atât la mijloc cuponului, cât şi la unul dintre capetele acestuia, în dreptul reazemului elastic (fig. 2.21). Fig. 2.21. Determinarea experimentală a funcţionalităţii amortizorului de şină. Receptanta (m/n) -5-6 -7-8 -9 - -11-12 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.22. Receptanţa cuponului de şină excitaţie la mijloc: negru la mijloc, roşu la capăt. 14
Figura 2.22 prezintă receptanţa la mijlocul cuponului de şină fără amortizoare, precum şi la unul dintre capete când lovitura ciocanului de impact este aplicată la mijlocul cuponului. Se observă frecvenţa de rezonanţă de la 75 Hz, precum şi frecvenţa de anti-rezonanţă de la aprox. 680 Hz în cazul receptanţei de la mijlocul cuponului de şină. Receptanta (m/n) -5-6 -7-8 -9 - -11 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.23. Receptanţa la mijlocul cuponului de şină excitaţie la mijloc: negru fără amortizoare, roşu cu amortizoare. Receptanta (m/n) -6-7 -8-9 - -11-12 1 2 Frecventa (Hz) 3 Fig. 2.24. Receptanţa la capătul cuponului de şină excitaţie la mijloc: negru fără amortizoare, roşu fără amortizoare. 15
Figurile 2.23 şi 2.24 prezintă receptanţele şinei la mijlocul cuponului şi la unul dintre capete atât în cazul cu amortizoare, cât şi în cel fără amortizoare. Se observă că la mijlocul cuponului de şină amortizoarele diminuează răspunsul dinamic în domeniul frecvenţelor joase şi medii, în timp ce la un capăt, amortizoarele influenţează răspunsul în domeniul frecvenţelor medii şi înalte. Se poate trage concluzia că prin măsurătorile efectuate, s-a demonstrat funcţionalitatea amortizoarelor de şină. 2.3. Stabilirea şi realizarea configura iei sistemului de măsurare pentru verificarea performan elor amortizorului de şină 2.3.1. Stabilirea domeniilor măsurabile şi a parametrilor de achizi ie date Încercările privind testarea performanţelor amortizorului de şină au fost efectuate în laborator folosindu-se un cupon de şină de tip UIC 49 cu lungimea de 5,4 m pentru a pune în evidenţă influenţa amortizoarelor de şină asupra răspunsului dinamic. Aşadar, procedura de testare este similară cu cea utilizată le demonstrarea funcţionalităţii amortizoarelor de şină şi din acest motiv domeniile măsurabile şi parametrii de achiziţie a datelor sunt similari. 2.3.2. Configura ia sistemului de măsurare pentru verificarea perfoman elor amortizorului de şină Configuraţia sistemului de măsurare este similară cu cea de la determinarea funcţionalităţii amortizoarelor de şină. 2.4. Realizarea măsurătorilor pentru verificarea performan elor amortizorului de şină 2.4.1. Măsurarea răspunsului dinamic al şinei şi determinarea ratei de descreştere a vibra iilor verticale în lungul şinei Răspunsului dinamic al şinei s-a determinat folosind un cupon de şină cu lungimea de 5,4 m aşezat pe două reazeme elastice formate fiecare din câte 7 plăci de cauciuc (fig. 2.24) pentru a fi asigurate condiţiile de încovoiere liberă la capete. Cu alte cuvinte, reazemele 16
elastice trebuie să asigure o frecvenţă proprie la săltare (translaţie verticală) a cuponului de şină mai mică decât cea mai mică frecvenţă proprie de încovoiere a cuponului de şină. Au fost montate accelerometre la cele două capete ale cuponului (fig. 2.25). Pentru uşurarea expunerii, denumim capăt activ, capătul la care s-a aplicat forţa de excitaţie cu ajutorul ciocanului de impact, şi capăt pasiv, celălalt capăt. Răspunsul şinei s-a determinat aşadar la cele două capete atât pentru şina fără amortizoare, cât şi pentru şina cu amortizoare (fig. 2.26). Se menţionează că au fost montate 9 perechi de amortizoare în mod echidistant la intervale de 60 cm. Distanţa dintre capetele şinei şi primele perechi de amortizoare este de 30 cm. Luând în calcul faptul că masa unui amortizor este de 3,4 kg, rezultă o masă liniară echivalentă de 11,3 kg/m. Fig. 2.25. Cupon de şină pe reazeme elastice. Fig. 2.26. Montarea accelerometrelor. Atenuarea vibraţiei este determinată prin prelucrarea acceleraţiilor măsurate la cele două capete ale cuponului de şină când ciocanul de impact este aplicat la capătul activ. Răspunsul în frecvenţă este calculat utilizând integrala Fourier pentru fiecare interval de 1/3 octavă, iar apoi este calculată atenuarea. 17
Fig. 2.27. Cupon de şină cu amortizoare pe reazeme elastic. Atenuarea corespunzătoare unui interval de 1/3 octavă având limitele de frecvenţă unghiulară kmin şi kmax poate fi calculată cu ajutorul următoarei ecuaţii Nk Ak lg ud ( i ) i 1 Nk 2 [db], d ( i ) 2 i 1 unde ud( i) şi d( i) sunt receptanţele pentru şina neamortizată şi respectiv şina amortizată la frecvenţa unghiulară i, ( kmin < i < kmax), iar Nk reprezintă numărul de puncte în care se divide intervalul de 1/3 octavă. Utilizând ecuaţia de mai sus, atenuarea are semnul pozitiv dacă receptanţa şinei neamortizată este mai mare decât cea a şinei cu amortizoare, ceea ce demonstrează eficacitatea amortizoarelor. 2.4.2. Raportul de verificare a performan elor amortizorului de şină Figura 2.28 prezintă receptanţa şinei măsurată la ambele capete ale cuponului de şină în domeniul de frecvenţă 2000 Hz pentru cazul neamortizat. Receptanţa arată o formă caracteristică la capătul activ datorită alternanţei frecvenţelor de rezonanţă şi anti-rezonanţă. Frecvenţele de anti-rezonanţă nu mai apar la capătul pasiv datorită reflexiei undelor de încovoiere. De notat că sunt excitate atât modurile de încovoiere simetrică, cât şi cele antisimetrice. Tabelul 2.2 conţine frecvenţele de rezonanţă şi de anti-rezonanţă. Aceste valori sunt apropiate de cele teoretice care rezultă din aplicarea modelului grinzii Timoshenko. Se mai observă că rezonanţa mişcării de săltare este mai mică decât frecvenţa de rezonanţă a primului mod de încovoiere. 18
Receptance [m/n] -4-5 -6-7 -8-9 - 1 2 Frequence [Hz] 3 Fig. 2.28. Receptanţa şinei fără amortizoare de şină: negru la capătul activ, roşu la capătul pasiv. Tabelul 2.2. Frecvenţele de rezonanţă şi anti-rezonanţă. Frecvenţa (Hz) Frecvenţele de rezonanţă Frecvenţele de anti-rezonanţă 34 91 176 282 408 549 703 872 46 1221 1404 1597 1787 75 155 256 378 516 668 835 07 1182 1366 1556 1744 1931 Figurile 2.29 şi 2.30 prezintă receptanţele măsurate atât pentru cazul şină neamortizată, cât şi pentru cazul şină amortizată (la capătul activ fig. 2.29 şi la capătul pasiv fig. 2.30). Receptance [m/n] -4-5 -6-7 -8-9 - 1 2 Frequence [Hz] 3 Fig. 2.29. Receptanţa la capătul activ: negru şină neamortizată, roşu şină amortizată. 19
Receptance [m/n] -4-5 -6-7 -8-9 - 1 2 Frequence [Hz] 3 Fig. 2.30 Receptanţa la capătul pasiv: negru şină neamortizată, roşu şină amortizată. Se observă că datorită montării amortizoarelor, frecvenţele de rezonanţă se reduc într-o anumită măsură, iar acest aspect are legătură cu creşterea masei modale a modurilor proprii de încovoiere. De notat faptul că amortizarea este eficientă în domeniul de frecvenţă 0-00 Hz. Atenuarea vibraţiei la ambele capete ale cuponului de şină pentru şina neamortizată şină cu amortizoare este prezentată în figura 2.31 pentru intervalele de 1/3 octavă de la 160 la 00 Hz. 30 Atenuation [db] 25 20 15 5 200 300 400 500 600 Frequence [Hz] 700 800 900 00 Fig. 2.31. Atenuarea: negru la capătul activ, roşu la capătul pasiv. Concluzie: Amortizoarele de şină realizate în acest proiect au domeniul de lucru cuprins între 160 şi 00 Hz, interval în care atenuarea vibraţiei (neamortiza/amortizat) este cuprinsă între 6 şi 22 db. 20
2.5. Elaborare articole ştiin ifice pentru publicarea în reviste de specialitate/conferin e şi organizare workshop 2.5.1. Elaborare articole ştiin ifice Rezultatele obţinute în cadrul proiectului se regăsesc în 9 articole publicate sau aflate în curs de publicare 2 articole publicate în proceedings-uri indexate Web of Science, 1 articol publicat într-o revistă indexată SCOPUS, 1 articol publicat într-un proceedings indexat SCOPUS, 2 articole publicate în volumul unui simpozion naţional, 3 articole prezentate la conferinţe internaţionale - aflate în curs de publicare, şi 1 articol în evaluare la o revistă indexat Web of Science/SCOPUS, după cum urmează: Articole publicate în proceedings-uri indexate Web of Science 1. Traian Mazilu, The dynamics of an infinite uniform Euler-Bernoulli beam on bilinear viscoelastic foundation under moving loads, X International Conference on Structural Dynamics, EURODYN 2017, Faculty of Civil and Industrial Engineering of Sapienza University of Rome, Italy, 13 September 2017, Procedia Engineering, Vol. 199, 2017, pp. 2561 2566. DOI:.16/j.proeng.2017.09.327 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1877705817338122 2. Traian Mazilu, Mihai Leu, Impact of the rail-pad multi-discrete model upon the prediction of the rail response, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, ModTech International Conference - Modern Technologies in Industrial Engineering V, 14-17 June 2017, Sibiu, Romania, Vol. 227, Article number UNSP 012079. DOI:.88/1757-899X/227/1/012079 http://iopscience.iop.org/article/.88/1757-899x/227/1/012079 Articole publicate în reviste / proceedings-uri indexate SCOPUS 3. Mădălina Dumitriu, Ioan Cristian Cruceanu, On the rolling noise reduction by using the rail damper, Journal of Engineering Science and Technology Review, Vol., Issue 6, 2017, pp. 87-95, ISSN 1791-2377. DOI:.253/jestr.6.12 http://www.jestr.org/index.php?option=com_content&view=article&id=55&itemid=2 Revistă indexată BDI: SCOPUS, DOAJ, CERN, Google Scholar, EBSCO, ACS. Journal metrics: Cite Score: 2.18/2016; SCImago Journal Rank (SJR): 0.317/2016; Source Normalized Impact per Paper (SNIP): 0.466/2016 4. Traian Mazilu, Marius Gheţi, On the vertical interaction between a three-axle bogie and track, MATEC Web of Conferences - 21st Innovative Manufacturing Engineering & 21
Energy International Conference IManE&E 2017, Iaşi, Romania, May 24-27, 2017, Vol. 112, 2017, Article number 06014. DOI:.51/matecconf/201711206014 https://www.matecconferences.org/articles/matecconf/abs/2017/26/matecconf_imane2017_06014/matecconf _imane2017_06014.html Articole publicate în proceedings-uri neindexate 5. Mădălina Dumitriu, Ioan Cristian Cruceanu, Metode şi tehnici de atenuare a zgomotului emis de şină, Simpozionul Naţional de Material Rulant de Cale Ferată - ediţia a XV-a, 24 25 noiembrie, Bucureşti 2017, Editura MatrixRom, ISSN 1843-9888, pag. 161-185. 6. Mădălina Dumitriu, Dorina Fologea, Metode şi tehnici de atenuare a zgomotului emis de roată, Simpozionul Naţional de Material Rulant de Cale Ferată - ediţia a XV-a, 24 25 noiembrie, Bucureşti 2017, Editura MatrixRom, ISSN 1843-9888, pag. 139-160. Articole prezentate la conferinţe internaţionale în curs de publicare 7. Traian Mazilu, Dorina Fologea, Influence of the rail dampers on the frequency-domain response of the rail, 22th edition of Innovative Manufacturing Engineering & Energy International Conference ImanE&E 2018, Chişinău, Republica Moldova, 31 mai 2 iunie 2018. 8. Traian Mazilu, Cristian Cruceanu, Numerical study of the interaction between a moving oscillator and an infinite beam on elastic foundation with bilinear characteristic, 8th International Conference on Advanced Concepts in Mechanical Engineering - ACME 2018, Iaşi, România, 07 08 iunie 2018. 9. Traian Mazilu, Dorina Fologea, Experimental study on the performance of a rail damper, International Conference Modern Technologies in Industrial Engineering ModTech 2018, Constanţa, România, 13-16 iunie 2018. Articol în evaluare la revistă indexată Web of Science. Traian Mazilu, Ionuţ Răcănel, George Stoicescu, Applying a laboratory procedure for testing the efficacy of a rail damper, Romanian Journal of Transport Infrastructure. 2.5.2. Organizare workshop: Mijloace şi tehnici moderne de atenuare a zgomotului de rulare Workshop-ul cu tema Mijloace şi tehnici moderne de atenuare a zgomotului de rulare s-a înscris în seria de activităţi care au avut ca scop diseminarea rezultatelor obţinute în cadrul proiectului. 22
În Anexa 1 este prezentat afişul conceput pentru mediatizarea acestei manifestări ştiinţifice în rândul cadrelor didactice şi cercetătorilor de la Universitatea Politehnica din Bucureşti şi Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti şi la agenţii economici potenţial interesaţi de rezultatele obţinute în cadrul proiectului SC METROREX S.A., Compania Naţională de Căi Ferate CFR S.A. Workshop-ul s-a desfăşurat în data de 24 mai 2018 în Sala de Seminarii Ştiinţifice a Facultăţii de Căi Ferate, Drumuri şi Poduri din Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, conform programului prezentat în anexă (v. Anexa 2 Invitaţie de participare şi programul workshop-ului). Punctul central al workshop-ului l-a constituit prezentarea proiectului de către directorul de proiect, dl. prof.dr.ing. Traian Mazilu de la Universitatea Politehnica din Bucureşti. Acesta a inclus în prezentare atât elementele iniţiale ale proiectului scopul, obiectivele şi gradul de noutate, descrierea echipei de cercetare, cât şi rezultatele obţinute în cadrul fiecărei activităţi cuprinse în planul de realizare al proiectului şi modul de diseminare al acestora. În programul workshop-ului au fost incluse şi o serie de prezentări care s-au înscris în aceeaşi temă a proiectului şi a workshop-ului legată de atenuarea zgomotului de rulare produs de vehiculele de transport pe şine, după cum urmeză: - Metode şi tehnici de atenuare a zgomotului emis de şină, prezentată de Ioan Cristian Cruceanu, doctorand în cadrul Şcolii Doctorale Transporturi din Universitatea Politehnica din Bucureşti - Metode şi tehnici de atenuare a zgomotului emis de roată, prezentată de Dorina Fologea, doctorand în cadrul Şcolii Doctorale Transporturi din Universitatea Politehnica din Bucureşti - Utilizarea căii pe dale pentru transportul urban şi extraurban, prezentată de Cătălin Andrei, doctorand în cadrul Şcolii Doctorale din Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti. În continuare sunt prezentate câteva imagini reprezentative realizate pe parcursul derulării evenimentului. 23
24