Уменьшение шума при взаимодействии колеса и рельса

Количественные показатели воздействия шума железнодорожного транспорта в большинстве стран  остаются по большей части неизменными. Предполагается, что в обозримом  будущем состояние дел в этой области останется без изменения. Однако имеются районы, где шум  железнодорожного транспорта является основным источником раздражения. Введение в последнее время в эксплуатацию высокоскоростных поездов и скоростных городских линий приводит к расширению зон, подверженных воздействию новых  источников шума. Поэтому условия  жизни людей могут быть улучшены, если принять серьезные меры по уменьшению шума.

 

.1. Уменьшение шума при взаимодействии  колеса и рельса

 

Можно предложить два противоположных  метода уменьшения шума, излучаемого  взаимодействием комплекса и  рельса.

 

Первый из этих методов  сводится к максимально возможному уменьшению неровности колес и рельсов. В этом случае наибольший эффект достигается  устранением неровностей у того из указанных элементов, неровность которого большая. При таком подходе  происходит снижение переменной составляющей силы взаимодействия колеса и рельса. Подобный метод дает наилучшие результаты на практике. Это предполагает текущее  содержание поверхности рельсов  в состоянии свободном от волнообразного износа и применение дисковых тормозов для уменьшения образования неровностей  на бандаже колес. Возможно также  применение некоторых типов колодочных тормозов, в которых чугунные колодки  заменяются на тормозные колодки из композитных материалов, хотя эти колодки по-прежнему будут воздействовать на бандаж колеса. Такая замена колодок способствует уменьшению шума качения, так как на поверхности колеса не будут образовываться волнистые неровности.

 

При втором методе можно попытаться уменьшить реакцию излучающих шум  элементов. Наиболее очевидный способ заключается в увеличении демпфирования  колес или рельсов. Такая попытка  была сделана при поиске мероприятий  по уменьшению скрежета колес при  проходе кривых участков пути. Однако эта попытка не привела к сколько-нибудь значительному снижению шума при  качении колес по прямолинейному или криволинейному участку пути большого радиуса.

Причина неудачи этой попытки  не ясна, но можно полагать, что трение, которое возникает в месте  контактной вмятины, уже превышает  значение дополнительно вводимого  демпфирования.

 

Был испробован также другой метод уменьшения излучаемого шума путем устройства акустического  экрана на кузове в виде фартуков, прикрывающих тележки. Эффект от этого метода был  также незначительным: наибольшее снижение шума составило 2 дБА. Сложность устройства фартуков состоит в том, что обычно их нельзя сделать достаточно низкими для полного экранирования шума колес из-за жестких ограничений установленного габарита подвижного состава для предотвращения соударений с различными путевыми устройствами.

Кроме того, если принять  корректность теории о том, что рельс  является главным источником излучения  шума, то экранирование колес вряд ли может привести к значительному  снижению шума.

 

Другим возможным решением является устройство протяженных акустических экранов вдоль пути. Однако возникает  сомнение относительно эффективности  акустических экранов, установленных  близко к пути. Обычно акустические экраны эффективны лишь тогда, когда  приблизительно их высота превышает  длину волны звука, распространяющегося  в направлении экрана. Следовательно, можно полагать, что экраны будут  эффективны лишь в области верхних  частот спектра шума взаимодействия колеса и рельса, да и то лишь в том случае, когда каждый железнодорожный путь огражден акустическими экранами с двух сторон.

 

4.2. Шум грузового вагона

 

По эксплуатационным соображениям система рессорного подвешивания грузового  вагона должна быть как можно более  экономной. Последствия этого очевидны. Грузовые вагоны строятся относительно грубо, без должных мер, ограничивающих их дребезжание и грохот. Демпфирование  системы рессорного подвешивания обычно недостаточно, и вибрации могут свободно передаваться кузову вагона. Причем вагоны шумнее при порожнем пробеге, чем  при эксплуатации в груженом состоянии: груз приводит как к стабилизации массы, так и к некоторому демпфированию.

 

Могут быть предложены технические  средства уменьшения шума грузового  подвижного состава до уровня шума пассажирских вагонов, но их реализация натолкнется на ряд препятствий. Исследования показывают возможность  снижения уровня шума грузовых вагонов  с помощью дисковых тормозов на 5 дБА.

Однако обычно возникают, помимо соображений, связанных с  модификацией тормозной системы, еще  и другие веские аргументы в пользу сохранения чугунных колодочных тормозов. Изменения тормозного усилия в зависимости  от скорости движения применительно  к двум рассматриваемым системам тормозов значительно отличаются. Поэтому  использование в эксплуатации грузовых вагонов с разными тормозами  в одном и том же поезде не может  быть допущено.

Следовательно, эксплуатация международных грузовых поездов  с обычным для них переформированием  и разнотипностью вагонов требует  того, чтобы у всех вагонов новых  или старых, любой принадлежности была одна и та же тормозная система.

 

Снижение уровня шума дребезжания  и грохота, а также устранение резонансных форм колебаний кузовов  подвижного состава не представляет особых технических трудностей, но реализация соответствующих мер  требует затрат. Аналогично этому  применение более прогрессивной  системы рессорного подвешивания или  грузовых вагонов, оснащенных тележками, а не использование удлиненных вагонов  с двухосными колесными базами, приводит к скрежету в кривых участках пути. Перевод старых грузовых вагонов  на новую современную ходовую  часть связан с большими затратами.

 

4.3. Снижение вибрации

 

4.3.1. Ограничение вибрации в источнике

 

Устранение износа и дефектов поверхности катания колес. Проточка бандажа колес применяется для  уменьшения неравномерности износа поверхности катания, а также  для уменьшения неровности поверхности  катания. Проточка бандажей колеса приводит к существенному уменьшению вибрации лишь в том случае, когда неровность поверхности катания колес превышает  неровность поверхности катания  рельсов. Улучшения после проточки колес не произойдет при наличии  волнообразного износа на поверхности  катания рельсов. Ползуны, плохие стыки  рельсов или деформированный  рельс могут увеличить уровни вибрации на 10-20 дБ сравнению с ситуацией, когда колеса и рельсы имеют ровную поверхности катания, а путь –  бесстыковую конструкцию.

 

При испытаниях, проведенных  на скоростной пригородной железной дороге

Юго-восточного управления транспорта (SEPTA) в Пенсильвании (США) было установлено, что проточка бандажей колес в  условиях, типичных для обычной эксплуатации, и без заметных ползунов приводит к снижению уровня вибрации, обусловленной вибрацией грунта, возбуждаемой движением поездов, на 5-10 дБ для частот выше 100 Гц. Однако для частот ниже 100 Гц это мероприятие мало что дает, а то и вовсе не приводит к снижению вибрации (не говоря уже о том, что иногда даже появляется случайное увеличение вибраций).

 

Предупреждение возникновения износа поверхности катания колес.

 

Шлифовка рельсов, уложенных  в пути. Шлифовка рельсов применяется  на скоростных городских и на магистральных  железных дорогах для устранения неровностей, связанных с неравномерным  прокатом или следами сварки стыка  рельсов, а также для удаления волнообразного износа, отслаивания, растрескивания поверхности головки рельса и  удаления вмятин на поверхности изношенного  рельса.

 

Как и в случае проточки поверхности катания колес, влияние  шлифовки рельса на уменьшение шума и  вибрации грунта значительно зависит  от технического состояния до шлифовки поверхностей катания колеса и рельса.

При отсутствии ползунов на колесах шлифовка новых рельсов (при наличии некоторых неровностей  после прокатки) или обычно изношенных (без волнообразного износа) приводит к уменьшению уровней вибрации грунта на 2-

10 дБ. При наличии волнообразного  износа рельса шлифовка поверхности  катания может привести к уменьшению  шума, обусловленного вибрацией  грунта, на 10-20 дБА.

 

Для полного выравнивания поверхности катания требуется  около 110 проходов по рельсовому участку  шлифовального поезда, оснащенного  абразивными блоками.

 

Сварка рельсовых стыков и обеспечение точного относительного расположения рельсов. Можно ожидать, что всякое устройство, смягчающее удары, возникающие при проходе  колеса через стыки рельсов, внесет свой вклад в уменьшение связанных  с этим шума и вибрации. Замена звеньевого пути на бесстыковой является в этом отношении наиболее эффективной, так как сварные стыки (при правильной стыковке) в совокупности уменьшают нарушения непрерывности поверхностей соединяемых рельсов.

 

Тщательное техническое  содержание и обеспечение правильного  относительного положения стыков с  болтовыми соединениями рельсов  выгодно там, где имеется такой  путь, особенно с целью избежать дополнительные рихтовки, которые приводят к подскоку колес на стыке.

 

Можно ожидать также положительных  результатов от использования специальных  крестовин (например, подвижных узловых  крестовин), что приводит к уменьшению ударов и смягчает передачу нагрузки колеса с одного рельсового звена  на следующее.

 

Повышение гибкости системы  буксового рессорного подвешивания тележек.

Буксовая система рессорного подвешивания, расположенная между  осью колесной пары и рамой тележки, - опора последней. Это является наиболее существенной конструктивной особенностью вагонной тележки, которая влияет на структурный шум и вибрацию. Хотя обычно демпфирование приводит к незначительное эффекту, однако в некоторых случаях оно может оказаться существенным.

 

Подрезиненные колеса. При подрезиненных колесах точка контакта на колесе перемещается в большей степени (а точка контакта на поверхности катания рельса в меньшей степени) из-за неровности поверхностей катания колеса и рельса, тем самым уменьшаются вибрации рельса и соответствующий шум в зданиях, расположенных поблизости.

 

Подрезиненные колеса могут также составлять часть системы рессорного подвешивания: замена стандартных металлических колес на подрезиненные приводит тогда к изменениям резонансных частот и демпфирующих характеристик этих систем.

 

Ограничение скорости движения поездов. Понижением скорости движения поезда можно уменьшить уровни шума, обусловленного вибрацией грунта, и  уровень вибрации примерно на 4-9 дБ (характерное уменьшение составляет 6 дБ) на каждое уменьшение скорости движения поезда в 2 раза. В большинстве случаев  изменение уровня вибрации пропорционально 13-30 ед. (скорости), а наиболее типичное пропорциональное соотношение составляет 20 ед.

(скорости).

 

Однако зависимость шума и вибрации от скорости движения меняется как с интенсивностью движения, так  и с типом подвижного состава. Поэтому при движении грузовых составов снижение скорости может привести к  изменению уровня демпфирования  системы, а следовательно – к обратному эффекту и увеличению вибрации и шума.

 

4.3.2. Упругие элементы в конструкции  пути

 

Упругое рельсовое крепление. Устройство упругих креплений рельсов  продиктовано стремлением изолировать  вибрирующий рельс от шпал или  других элементов, к которым прикреплен рельс. Одна из рекомендаций для достижения хорошей виброизоляции сводится к тому, чтобы использовать устройство упругого рельсового скрепления, жесткость  которого будет обеспечивать статический  прогиб рельса при нагрузке поездом  в пределах от 2 мм до 5 мм.

 

Упругое основание под  шпалами. В конструкциях упругих  опор под шпалами упругий элемент  помещается между шпалой и нижней частью тоннеля. При упругих рельсовых  креплениях упругий элемент устанавливается  между подошвой рельса и шпалой. Дополнительная промежуточная масса, которая обеспечивается системой "плавающего" пути, совместно с возможностью использования  более эластичных элементов под  шпалами по сравнению с теми, что  можно применить в рельсовых  упругих креплениях, приводит к улучшению  виброизоляционных свойств.

 

"Плавающее" основание  пути. Наряду с тем что при упругих рельсовых креплениях и шпалах на упругом основании масса, расположенная над нижними упругими опорами, значительно меньше той, которая является необрессоренной массой ходовой части тележек вагона.

 

Существует несколько  приемов, при использовании которых "плавающая" масса становится гораздо больше необрессоренной массы тележки вагона. К подобным конструкциям пути относятся "плавающие" плиты и "плавающие" элементы (которые иногда называют "плавающими" мини-плитами или сдвоенными шпалами). В системах с упругим основанием пути инерция "плавающей" массы приводит к снижению ее виброперемещений при частотах, где это особенно важно. Виброперемещения передаются нижней части тоннеля через относительно мягкие упругие опоры, что приводит к уменьшению динамических сил, достигающих нижней части тоннеля.

 

4.3.3. Конструкция тоннелей

 

Можно предположить, что типы тоннелей более устойчивые к возбуждающим силам, будут передавать в окружающую их среду менее интенсивные вибрации.

Таким образом, можно полагать, что более массивные тоннельные конструкции вызовут меньший  шум и вибрацию в соседних зданиях. Имеются данные, свидетельствующие  о том, что железобетонные двойные  коробчатые тоннели приводят к меньшему шуму, обусловленному вибрацией грунта, по сравнению с тем, что имеет  место в случае легких конструкций  тоннелей круглого сечения

(независимо от того, выполнены  они на месте из монолитного  железобетона или из сборных  предварительно напряженных железобетонных  секций, стальных или чугунных  тюбингов тоннельной обделки).