8
LETNIK 21. ŠT. 10-12/2012 2 STROKOVNI PRISPEVKI Viskoelastični dušilni elementi za zmanjševanje vibracij in hrupa MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi raziskovalec dr. Nikola Holeček vodja Akustičnega laboratorija Raziskovalna naloga mladega raziskovalca je usmerjena v razvoj dušilnih elementov na osnovi polimerov za dušenje vibracij in hrupa v železniškem transportu 1 Uvod Gorenje je bilo leta 2011 v sodelovanju z Markom Bekom in Fakulteto za strojništvo uspešno pri pridobitvi sredstev z javnega razpisa »Mladi raziskovalci iz gospodarstva – generacija 2010«, ki ga je razpisala Javna agencija za tehnološki razvoj Republike Slovenije (TIA). Predmet javnega mladih raziskovalcev in raziskovalk iz gospodarstva do pridobitve naslova doktor znanosti. Ožji namen javnega razpisa pa je omogočiti mladim raziskovalcem, da z delom na temeljnih raziskavah za potrebe podjetij v času podiplomskega študija pridobijo nova temeljna oz. splošna znanstvena in tehnična znanja, ki predstavljajo izviren prispevek k znanosti, kar je pogoj za pridobitev znanstvenega doktorskega naslova, ter da sočasno pridobijo kakovostne izkušnje, s katerimi se lahko po končanem študiju suvereno soočijo z izzivi v gospodarstvu. Delo mladega raziskovalca je usmerjeno v zmanjševanje hrupa in vibracij v železniškem transportu. Znano je, da je železniški transport eden izmed glavnih onesnaževalcev okolja s hrupom in vibracijami, ki postaja vedno večji ekološki problem [6]. Najpomembnejši vir hrupa je kotalni hrup, ki ga je tudi najtežje nadzorovati. Raziskovalna naloga mladega raziskovalca je usmerjena v razvoj dušilnih elementov na osnovi polimerov za dušenje vibracij in hrupa v železniškem transportu. Ker so polimeri znani po svojih dobrih absorpcijskih sposobnostih, večina obstoječih rešitev dušilnih elementov že temelji na uporabi polimernih materialov za dušenje vibracij in hrupa. Novost v okviru raziskovalnega dela pa bo opredelitev in izkoriščanje optimalnih dušilnih zmogljivosti polimerov, ki se uporabljajo v ta namen. Posebna pozornost bo posvečena elastomernim materialom. V nadaljevanju je predstavljen del raziskav o vplivu temperature na dušilne lastnosti polimernih materialov ter kako lahko te lastnosti spreminjamo. Pri tem je pomembno poudariti, da so predstavljeni le delni rezultati, saj raziskave na tej temi še potekajo. Zaključek projekta bo nova generacija viskoelastičnih dušilnih elementov, katerih učinkovitost bo preizkušena tudi v Akustičnem laboratoriju v Gorenju. Rezultati bodo strnjeni v več objav v mednarodnih revijah in predstavitvah na konferencah ter doktorski nalogi z naslovom »Uporaba viskoelastičnih materialov za zmanjšanje vibracij in hrupa železniških tirov«. 2 Železniški transport Trajnostni ekonomski razvoj je eden izmed glavnih ciljev Evropske unije (EU), ki zahteva gospodarsko rast brez dodatnih vplivov na okolje. Vsaka gospodarska dejavnost neizogibno ustvarja vpliv na okolje. Zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, ki so odgovorni za globalno segrevanje in s tem povezane podnebne spremembe, je ena izmed prednostnih nalog EU. Približno četrtina vseh emisij toplogrednih plinov prihaja iz prevoznega sektorja [1; 2; 3], od tega cestni promet zavzema največji delež [4]. Zato je prometna politika EU usmerjena k zmanjšanju razlike med deležem cestnega prometa, 73 %, in železniškega prometa, 16 % [5]. Obstajata dva glavna razloga za povečanje deleža železniškega prometa; prvi razlog je zmanjšanje onesnaženosti zraka zaradi izpušnih plinov, drugi pa zmanjšanje hrupa. Velik del železniškega transporta v Evropi opravijo električni vlaki [3], kar pomeni, da bi prehod s cestnega na železniški transport imel ugoden vpliv na kakovost zraka zlasti v urbanih območjih. Kljub temu pa še vedno ostaja negativni vpliv hrupa na prebivalstvo, ki živi v bližini železniških prog, kakor tudi na živali v naravi [6].

Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20122

STROKOVNI PRISPEVKI

Viskoelastični dušilni elementi za zmanjševanje vibracij in hrupaMR projekt Gorenja

Avtorji: Marko Bek,dr. Nikola Holeček,dr. Igor Emri

Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi raziskovalec

dr. Nikola Holečekvodja Akustičnega laboratorija

Raziskovalna naloga mladega raziskovalca je usmerjena v razvoj dušilnih elementov na osnovi polimerov za dušenje vibracij in hrupa v železniškem transportu

1 Uvod

Gorenje je bilo leta 2011 v sodelovanju z Markom Bekom in Fakulteto za strojništvo uspešno pri pridobitvi sredstev z javnega razpisa »Mladi raziskovalci iz gospodarstva – generacija 2010«, ki ga je razpisala Javna agencija za tehnološki razvoj Republike Slovenije (TIA). Predmet javnega

mladih raziskovalcev in raziskovalk iz gospodarstva do pridobitve naslova doktor znanosti. Ožji namen javnega razpisa pa je omogočiti mladim raziskovalcem, da z delom na temeljnih raziskavah za potrebe podjetij v času podiplomskega študija pridobijo nova temeljna oz. splošna znanstvena in tehnična znanja, ki predstavljajo izviren prispevek k znanosti, kar je pogoj za pridobitev znanstvenega doktorskega naslova, ter da sočasno pridobijo kakovostne izkušnje, s katerimi se lahko po končanem študiju suvereno soočijo z izzivi v gospodarstvu.

Delo mladega raziskovalca je usmerjeno v zmanjševanje hrupa in vibracij v železniškem transportu. Znano je, da je železniški transport eden izmed glavnih onesnaževalcev okolja s hrupom in vibracijami, ki postaja vedno večji ekološki problem [6]. Najpomembnejši vir hrupa je kotalni hrup, ki ga je tudi najtežje nadzorovati. Raziskovalna naloga mladega raziskovalca je usmerjena v razvoj dušilnih elementov na osnovi polimerov za dušenje vibracij in hrupa v železniškem transportu. Ker so polimeri znani po svojih dobrih absorpcijskih sposobnostih, večina obstoječih rešitev dušilnih elementov že temelji na uporabi polimernih materialov za dušenje vibracij in hrupa. Novost v okviru raziskovalnega dela pa bo opredelitev in izkoriščanje optimalnih dušilnih zmogljivosti polimerov, ki se uporabljajo v ta namen. Posebna pozornost bo posvečena elastomernim materialom.

V nadaljevanju je predstavljen del raziskav o vplivu temperature na dušilne lastnosti polimernih materialov ter kako lahko te lastnosti spreminjamo. Pri tem je pomembno poudariti, da so predstavljeni le delni rezultati, saj raziskave na tej temi še potekajo. Zaključek projekta bo nova generacija viskoelastičnih dušilnih elementov, katerih učinkovitost bo preizkušena tudi v Akustičnem laboratoriju v Gorenju. Rezultati bodo strnjeni v več objav v mednarodnih revijah in predstavitvah na konferencah ter doktorski nalogi z naslovom »Uporaba viskoelastičnih materialov za zmanjšanje vibracij in hrupa železniških tirov«.

2 Železniški transport

Trajnostni ekonomski razvoj je eden izmed glavnih ciljev Evropske unije (EU), ki zahteva gospodarsko rast brez dodatnih vplivov na okolje. Vsaka gospodarska dejavnost neizogibno ustvarja vpliv na okolje. Zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, ki so odgovorni za globalno segrevanje in s tem povezane podnebne spremembe, je ena izmed prednostnih nalog EU. Približno četrtina vseh emisij toplogrednih plinov prihaja iz prevoznega sektorja [1; 2; 3], od tega cestni promet zavzema največji delež [4]. Zato je prometna politika EU usmerjena k zmanjšanju razlike med deležem cestnega prometa, 73 %, in železniškega prometa, 16 % [5]. Obstajata dva glavna razloga za povečanje deleža železniškega prometa; prvi razlog je zmanjšanje onesnaženosti zraka zaradi izpušnih plinov, drugi pa zmanjšanje hrupa. Velik del železniškega transporta v Evropi opravijo električni vlaki [3], kar pomeni, da bi prehod s cestnega na železniški transport imel ugoden vpliv na kakovost zraka zlasti v urbanih območjih. Kljub temu pa še vedno ostaja negativni vpliv hrupa na prebivalstvo, ki živi v bližini železniških prog, kakor tudi na živali v naravi [6].

Page 2: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20123

STROKOVNI PRISPEVKI

Cilj zmanjševanja hrupa pri železniškem transportu smo si zastavili v skladu s trajnostno ekonomskimi in okoljevarstvenimi cilji Evropske unije

Polimerni materiali izkazujejo dobre dušilne lastnosti pri določenih frekvencah in so kot taki primerni za uporabo pri zmanjševanju hrupa in vibracij

Hrup je pogosto opredeljen kot vir nezaželene oblike zvoka. Ne glede na dejstvo, da večji delež prebivalstva bolj moti cestni kot železniški hrup, bo v prihodnje povečan obseg železniškega prometa (od širitev železniških omrežij in povečanega prometa na obstoječih progah) lahko imel negativen vpliv na okolje. Leta 2002 je bil sprejeta direktiva o okoljskem hrupu (Environmental Noise Directive) in je vodila do ustanovitve kart hrupa obstoječih virov in razvoja akcijskih načrtov za zmanjšanje hrupa na določenih kritičnih mestih [7]. Za nekatere vire hrupa kot na primer v železniškem transportu ne obstajajo internacionalni standardi, ki bi določali dovoljene ravni hrupa. Kljub temu v večini držav članic Evropske unije veljajo nacionalni predpisi, ki omejujejo ravni dovoljenega hrupa v naseljenih področjih med 45 do 55 dB(A) podnevi in med 35 do 45 dB(A) ponoči.

Zmanjševanje hrupa je mogoče doseči z izvajanjem različnih ukrepov, da pa bodo ukrepi za nadzorovanje hrupa uspešni, je potrebno opredeliti prevladujoči vir hrupa. Ugotovljeno je bilo, da je v mnogih situacijah kotalni hrup prevladujoči vir hrupa in je povzročen zaradi vibracij kolesa in tira, ko sta v medsebojnem kontaktu. Hrapavost kolesa in tira ustvarja relativno gibanje enega glede na drugega. To ustvarja vibracije, ki so prenesejo v obe strukturi, kolo vlaka na eni strani in tirnica na drugi strani. Vibracije tirnice se širijo preko železniških pragov na okolico, kar povzroča sevanje hrupa v okolico [8].

2.1 Problem vibracij in hrupa v železniškem transportu

Zgornji ustroj železniške proge sestavljajo tirnice, pragovi (leseni ali betonski), tirna greda in pritrdilni in vezni pribor [9]. Te komponente vplivajo na absorpcijske sposobnosti zgornjega ustroja proge in so povezane s togostjo in sposobnostjo dušenja ene ali več komponent zgornjega ustroja [10].

Podložne plošče so pomemben sestavni del zgornjega ustroja proge in lahko bistveno vplivajo na karakteristiko kotalnega hrupa. Podložne plošče so nameščene med železniškim pragom in nogo železniške tirnice. Uporabljajo se za preprečevanje neposrednega stika in udarnih obremenitev med železniškim pragom in tirnico, kar lahko privede do poškodb pragov. Trenutno se v praksi bolj pogosto uporablja mehkejše podložne plošče, ki preprečujejo nastanek poškodb na železniških pragovih, kljub temu da so trše podložne plošče tiste, ki prispevajo k zmanjšanju kotalnega hrupa.

V zadnjih letih je bilo razvitih veliko različnih konceptov, patentov, prototipov in izdelkov podložnih plošč z namenom zmanjšati generiran hrup in vibracije, povzročene v interakciji med tirnico in kolesom vlaka. Večina teh rešitev uporablja polimerne materiale kot eno izmed glavnih komponent, ki sestavljajo podložne plošče.

Polimerni materiali izkazujejo dobre dušilne lastnosti pri določenih frekvencah in so kot taki primerni za uporabo pri zmanjševanju hrupa in vibracij. Na splošno so dušilne lastnosti polimernih materialov podane s parametrom tan δ, ki predstavlja razmerje med disipativnim modulom (G''), ki predstavlja sposobnost materiala, da absorbira energijo s pomočjo tako imenovanih »viskoznih mehanizmov«, in shranitvenim modulom (G'), ki predstavlja sposobnost materiala, da shrani energijo elastično [11, 12].

V preteklosti so bile podložne plošče narejene iz gume, v zadnjem času pa se v veliki meri uporabljajo tudi drugi polimerni materiali: Ethylene vinyl acetates (EVA), Polyurethane (PU), Polyamide (PA) in High density polyethylene (HDPE).

Page 3: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20124

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 1: Ujemanje frekvence maksimalne sposobnosti dušenja materiala (3) s frekvenco maksimalne amplitude frekvenčnega odziva železniške tirnice (1), kar povzroči zmanjšanje amplitude odziva tirnice (4)

2.2 Cilj

Širši cilj tega dela je zmanjšati emisijo hrupa železniškega prometa z uporabo tako imenovanih odzivnih viskoelastičnih dušilnih elementov (tuned viscoelastic damping elements - TVDE), pritrjenih na železniško tirnico. Glavna komponenta TVDE je polimerni material. S spreminjanjem robnih pogojev (temperature in/ali tlaka), ki jim je polimer izpostavljen, lahko vplivamo na frekvenco, pri kateri polimerni viskoelastični material izkazuje največjo sposobnost absorpcije mehanske energije. V našem primeru želimo uskladiti frekvenco, pri kateri polimerni viskoelastični material absorbira največ energije, s frekvenco, pri kateri železniška tirnica izkazuje maksimalne vrednosti amplitud vibracij. To je shematsko prikazano na Sliki 1.

Diagram na Sliki 1 s polno črto shematsko prikazuje prvotni dinamični odziv železniške tirnice (1) na udarno impulzno obremenitev, ki nastane pri kotaljenju kolesa po tirnici. Črtkana linija na desni strani (2) shematično prikazuje dušilne lastnosti polimernega viskoelastičnega materiala pri normalnih sobnih pogojih. S spreminjanjem strukture polimernega materiala pri izbranih robnih pogojih lahko njegovo frekvenčno karakteristiko po potrebi prilagodimo. To je shematsko prikazano s puščico, ki kaže, da črtkana črta (2) spremeni frekvenco, pri kateri material izkazuje maksimalno vrednost do območja, označenega s (3). S spreminjanjem robnih pogojev (temperatura ali/in tlak), ki jim je material izpostavljen, lahko spreminjamo frekvenco, pri kateri material izkazuje največjo absorpcijo energije tako, da jo uskladimo s frekvenco, pri kateri ima tirnica maksimalne vrednosti amplitud vibracij. Na ta način lahko optimalno znižamo amplitude vibracij in hrupa železniških tirnic. Na Sliki 1 je to zmanjšanje označeno z navpično puščico, ki kaže, da se prvotna amplituda vibracij tirnice (1) zmanjša na vrednost, označeno s pikčasto črto (4).V okviru tega prispevka bomo raziskali, kako lahko sprememba strukture materiala vpliva na frekvenčno območje, v katerem material izkazuje največjo sposobnost absorpcije mehanske energije. Optimalni učinek dušenja pričakujemo, ko je frekvenca maksimalne dušilne sposobnosti materiala usklajena s frekvenco največjih amplitud mehanskih vibracij strukture.Pričakovane učinke raziščemo s pomočjo eksperimenta, ki ga izvedemo na konzolno vpetem nosilcu, na katerega pritrdimo dušilne polimerne elemente, izdelane iz termoplastičnega poliuretana (TPU). Impulzna obremenitev, ki deluje na konzolno vpeti nosilec, povzroča vibracije nosilca v skladu z njegovimi dinamičnimi lastnostmi, medtem ko polimerni elementi, pritrjeni na konzolo, zmanjšujejo amplitude vibracij. Za analizo učinkov sprememb strukture polimernega materiala na njegove dušilne lastnosti spreminjamo strukturo materiala s spremembo temperature.

Page 4: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20125

Slika 2: Dimenzije konzolno vpetega nosilca uporabljenega za eksperimente

Slika 3: Temperaturna komora

3 Metodologija

Z namenom opazovanja vpliva sprememb strukture polimernega materiala na njegove dušilne lastnosti je bila zasnovan in zgrajen poseben merilni sistem. Merilna veriga zagotavlja pogoje, ki so potrebni, da spremenimo strukturo polimernega materiala tako, da izkazuje zahtevane dušilne lastnosti pri izbrani frekvenci.Opazovanje dušilnih lastnosti polimernega materiala je bilo opravljeno z merjenjem odziva konzolno vpetega nosilca na impulzno obremenitev z uporabo pospeškomera IMI 621B41 z merilnim območjem 2,4 Hz do 10 kHz in občutljivostjo 10,2 mV/(m/s2). Signal je bil kondicioniran z nabojnim ojačevalnikom Omega AA-PS2, zajem in digitalizacija podatkov pa je bila opravljena s pomočjo NI USB-6009 DAQ kartice. Signali v časovni domeni so bili zajeti in shranjeni za kasnejšo analizo. Z uporabo Fourierjeve transformacije shranjenih podatkov smo analizirali lastne frekvence konzolno vpetega nosilca.

3.1 Konzolno vpet nosilec

Za izvedbo eksperimenta smo izbrali nosilec dimenzij 500 × 50 × 3,44 mm, kot je prikazano na Sliki 2. Pospeškomer je bil nameščen 35,16 mm od prostega roba konzolno vpetega nosilca. Nosilec z efektivno dolžino 380 mm in težo 645 g je bil pritrjen na betonsko podlago, kot je prikazano na Sliki 3.

3.2 Temperaturna komora

Dušilne lastnosti polimernega materiala smo spreminjali s spreminjanjem njegove temperature. Zato so bili vsi eksperimenti izvedeni v temperaturni komori, kot je prikazano na Sliki 3. Temperaturna komora je bila termično in akustično izolirana, kar je omogočalo, da se eksperimenti izvedejo pri konstantnih temperaturnih pogojih. Segrevanje temperaturne komore je bilo izvedeno s pomočjo grelno-ventilacijskega sistema, ki je skrbel za kroženje zraka po komori pri izbrani temperaturi. Temperaturni razpon, uporabljen v sklopu teh meritev, je bil 20 ÷ 70 °C z natančnostjo ±3,2 °C.Temperatura v komori je bila nadzorovana s pomočjo termočlenov, trije so bili nameščeni na konzolno vpeti nosilec, četrti pa je bil nameščen na strop temperature komore.

STROKOVNI PRISPEVKI

Page 5: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20126

Slika 4: Konzolno vpeti nosilec s pritrjenimi viskoelastičnimi dušilnimi elementi (viscoelastic damping elements-VDE), narejenimi iz TPU

3.3 Mehanizem za obremenjevanje konzolno vpetega nosilca

Med izvajanjem eksperimenta morajo biti temperaturni pogoji čim bolj konstantni. Zaradi tega je bil zasnovan in izdelan mehanizem za obremenjevanje nosilca, ki ga je mogoče namestiti v temperaturno komoro, proženje mehanizma pa je izvedljivo izven temperaturne komore. Mehanizem deluje tako, da odkloni konzolno vpeti nosilec do želenega odmika od začetne ravnovesne lege. Začetni odmik konzolno vpetega nosilca je mogoče poljubno izbrati. Ko želimo eksperiment izvesti, sprožimo mehanizem (sprožitev mehanizma je mogoče izvesti zunaj temperaturne komore) tako, da umaknemo podporo, s katero mehanizem zagotavlja nastavljeni odmik nosilca od ravnovesne lege. S tem povzročimo impulzno motnjo na nosilcu, kar povzroči, da nosilec prosto zaniha v skladu s svojimi dinamičnimi lastnostmi.

3.4 Priprava vzorcev

Za pripravo vzorcev smo uporabili termoplastični poliuretan (TPU) podjetja BASF. Termoplastični poliuretan je znan po svojih dobrih dušilnih lastnostih. Pomembno je poudariti, da so, glede na frekvenčno območje mehanskih nihanj, tudi drugi polimerni materiali primerni za dušenje vibracij konstrukcij in naprav. TPU je bil le eden izmed materialov, ki smo ga preiskovali v sklopu tega dela. Proizvajalec TPU materiala je dostavil material v obliki granul različnih velikosti.Postopek priprave vzorcev smo začeli z mletjem granul materiala na manjšo velikost, s čemer smo preprečili pojavljanje zračnih mehurčkov in ostalih vključkov pri kasnejših korakih postopka. Za vzorec dimenzij 500×50 mm in debeline 1 mm je bilo potrebnih 37 g materiala. Material je bil nameščen v kovinski okvir, vse skupaj pa smo nato položili v hidravlično stiskalnico z grelci, ki smo jo uporabili za taljenje in stiskanje materiala v končno obliko. Vzorce smo pripravili pri temperaturi 125 °C. Proces stiskanja je trajal 10 min, čemur je sledilo počasno ohlajanje do sobne temperature. Z opisanim postopkom izdelave vzorcev smo dobili 1 mm debele trakove polimernega materiala.Pri izvajanju eksperimentov smo uporabili dva dušilna elementa, namestili smo ju na zgornjo in spodnjo površino konzolno vpetega nosilca (Slika 4).

Dušilna elementa sta bila nameščena na konzolno vpeti nosilec z dvokomponentnim epoxy lepilom Araldite 2011.Celotna površina nosilca je bila očiščena, preden smo nanjo nanesli lepilo. Najprej je bil uporabljen brusni papir, da se odstranijo nečistoče s površine nosilca, nato pa še aceton, da smo razmastili površino nosilca. V naslednjem koraku je bila na zgornjo in spodnjo stran nosilca nanesena tanka plast lepila, na katero smo nato namestili dušilna elementa. Eksperiment z nosilcem z nameščenima dušilnima elementoma smo izvedli po 12 urah, ko se je lepilo posušilo.

3.5 Eksperimentalni postopek

Konzolno vpeti nosilec, s pritrjenimi viskoelastičnimi dušilnimi elementi (VDE), smo pritrdili znotraj temperaturne komore. Pred začetkom izvajanja eksperimentov je bil nosilec s pritrjenimi VDE segret na 70 °C. Te temperaturne pogoje smo vzdrževali 4 ure, nato pa smo počasi sistem

STROKOVNI PRISPEVKI

Page 6: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20127

Tabela 1: Eksperimentalni postopek

Slika 5: Primer rezultatov za konzolno vpet nosilec z nameščenimi viskoelastičnimi dušilnimi elementi pri temperaturi 20 °C

ohladili do sobne temperature. S tem postopkom »kondicioniranja« smo odpravili zaostale napetosti v materialu in »pripeljali« material v ravnotežno stanje pri izbranih robnih pogojih. Eksperimenti so bili izvedeni pri temperaturah 20 °C, 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C in 70 °C. Pri vsaki temperaturi smo izvedli šest ponovitev meritev (Tabela 1).

Konzolno vpeti nosilec z nameščenimi VDE elementi

Temperatura Št. ponovitev

20 °C 6

30 °C 6

40 °C 6

50 °C 6

60 °C 6

70 °C 6

Ko je bila izbrana temperatura konzolno vpetega nosilca dosežena, je bil nosilec upogibno deformiran s pomočjo mehanizma za obremenjevanje, ki je opisan v poglavju 2.3. V sklopu izvedenih eksperimentov je bil začetni uklon nosilca 8 mm ± 0,08 mm. Kot je bilo že omenjeno, mehanizem za obremenjevanje omogoča sprožitev izven temperaturne komore, kar zagotavlja stabilne temperaturne razmere v komori. Merili smo pospeške kot funkcijo časa in analizirali njihovo frekvenčno karakteristiko.

1 Rezultati

Rezultati so predstavljeni kot amplitude pospeška nosilca v frekvenčnem prostoru. Slika 5 prikazuje primer izmerjenih rezultatov za konzolno vpet nosilec s pritrjenimi dušilnimi elementi, pri temperaturi 20 °C. Iz prikazane slike lahko opazimo dve lastni frekvenci, prvo lastno frekvenco pri f

1 =

15,38 Hz in drugo lastno frekvenco pri f2 = 99,38 Hz.

Vpliv temperature na dušilne lastnosti materiala so prikazani na Slikah 6 in 7, kjer so na abscisi prikazane maksimalne vrednosti amplitud, na ordinati pa temperature. Slika 6 prikazuje rezultate za prvo, Slika 7 pa za drugo lastno frekvenco.

STROKOVNI PRISPEVKI

Page 7: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20128

Slika 6: Maksimalna amplituda prve lastne frekvence v odvisnosti od temperature

Slika 7: Maksimalna amplituda druge lastne frekvence v odvisnosti od temperature

Iz predstavljenih rezultatov lahko povzamemo, da se maksimalne amplitude pospeškov pojavijo pri temperaturah okrog 40 °C. V primeru prve lastne frekvence se pojavi padec amplitud po 50 °C. Podobno lahko opazimo padec pri temperaturi 50 °C v primeru druge lastne frekvence. Poleg tega opazimo nižje amplitude pospeškov, v primeru druge lastne frekvence pri temperaturah med 20 °C in 30 °C.

Rezultati jasno kažejo maksimalno amplitudo pri temperature 40 °C, kar nakazuje, da ima izbrani viskoelastični material najslabše dušilne lastnosti ravno pri teh pogojih, v okviru raziskanega območja temperatur. Kot je bilo pričakovano, je razvidno tudi, da se lastnosti viskoelastičnega materiala spreminjajo s spreminjanjem temperature. V primeru prve lastne frekvence je maksimalna razlika okoli 47 %, v primeru druge lastne frekvence je ta razlika okoli 17 %.

STROKOVNI PRISPEVKI

Page 8: Avtorji: Marko Bek, Viskoelastični dušilni elementi za ... · MR projekt Gorenja Avtorji: Marko Bek, dr. Nikola Holeček, dr. Igor Emri Marko Bek, Akustični laboratorij, mladi

LETNIK 21. ŠT. 10-12/20129

STROKOVNI PRISPEVKI

5. Zaključek

V sklopu tega dela smo opazovali, kako sprememba strukture polimernega materiala vpliva na frekvenčno območje, v katerem material izkazuje maksimalno sposobnost absorpcije mehanske energije.Za preiskovanje teh učinkov smo izvedli eksperiment na konzolno vpetem nosilcu z nameščenimi dušilnimi elementi iz termoplastičnega poliuretana (TPU). Vzbujanje konzolno vpetega nosilca je bilo izvedeno z impulzno motnjo, odziv nosilca pa je bil merjen s pomočjo nameščenega pospeškometra.Rezultati so pokazali, da ima temperatura pomemben učinek na dušilne lastnosti viskoelastičnega dušilnega materiala. V primeru prve lastne frekvence je bila maksimalna razlika med amplitudami okoli 47 %, v primeru druge lastne frekvence pa je bila ta razlika okoli 17 %. Rezultati kažejo, da je pri določeni temperaturi območje frekvenc, kjer so dušilne lastnosti materiala zelo slabe. Za oba primera, prve in druge lastne frekvence, se to frekvenčno območje pojavi pri temperaturi 40 °C.

Pomembno je poudariti, da so predstavljeni rezultati preliminarni. Za boljše razumevanje obnašanja polimernih dušilnih elementov so potrebne nadaljnje raziskave, kot na primer:

eksaktna karakterizacija dušilnega materiala z uporabo rheometra;izbor TPU-jev, ki imajo maksimalne vrednosti tanδ pri operativnih temperaturah železnice (od -50 ° do 50 °C);izvedba večplastne strukture (iz različnih polimernih materialov) za povečanje sposobnosti dušilnih elementov;raziskave v smeri merjenja hrupa oz. določanje zmanjšane ravni hrupa z uporabo gluhe komore Akustičnega laboratorija v Gorenju.

Reference

[1] EC-JRC/PBL. EDGAR version 4.2. [Online] 2011. [Cited: May 12, 2012.] http://edgar.jrc.ec.europa.eu/.[2] International Transport Forum, OECD. Transport Outlook. [Online] May 2010. [Cited: May 10, 2012.] http://www.internationaltransportforum.org/Pub/pdf/10GHGTrends.pdf.[3] Railways, International Union of. Rail Transport and Environment, FACTS & FIGURES. [Online] 2008. [Cited: January 10, 2012.] http://www.uic.org/homepage/railways&environment_facts&"gures.pdf.[4] European Commission Mobility and transport. [Online] 2011. [Cited: February 22, 2012.] http://ec.europa.eu/transport/publications/statistics/doc/2011/pocketbook2011.pdf. ISBN 978-92-79-19508-2.[5] Road Freight Transport Vademecum 2010 Report. [Online] September 2011. [Cited: 20 December 2011.] http://ec.europa.eu/transport/road/doc/2010-road-freight-vademecum.pdf.[6] Habitat fragmentation due to transportation infrastructure, The european review. [Online] 2002. [Cited: 12 January 2011.] https://www.milieuinfo.be/productie/beheerplone/nietacm/iene/cost-341/SotA-COST341ER0318.pdf.[7] Directive 2002/49/EC of the European Parliament and of the Council of 25 June 2002 relating to the assessment and management of environmental noise. s.l. : OWcial Journal of the European Communities, 2002, pp. L189/12-25.[8] Thompson, David. Railway noise and vibration: mechanisms, modelling and means of control. Oxford : Elsevier, 2009. ISBN-13: 978-0-08-045147-3.[9] B. ZGONC, Žlezniški promet, Portorož: Fakulteta za pomorstvo in promet, 2003.[10] A. P. De Man, DYNATRACK, A survey of dynamic railway track properties and their quality, DUP Science, Delft, 2002.[11]Tschoegl N. W., Knauss W. G., Emri I.: Poisson's ratio in linear viscoelasticity - a critical review. Mech. time-depend. mater., 2002, vol. 6, no. 1, 3-51.[12] EMRI, Igor. Rheology of solid polymers. V: BINDING, David M. (ur.), WALTERS, Kenneth (ur.). Rheology reviews 2005. [S.l.]: British Society of Rheology, 2005, str. 49-100.

Rezultati so pokazali, da ima temperatura pomemben učinek na dušilne lastnosti viskoelastičnega dušilnega materiala

Znanstveni prispevek je bil predstavljen na letošnji mednarodni konferenci »Noise and Vibration» v Nišu