Уменьшение шума при взаимодействии колеса и рельса

 

4.3.4. Экранирование

 

Траншеи или монолитные препятствия  могут также применяться в  качестве средств ограничения структурного шума, возбуждаемого вибрацией грунта, а также вибрацией, обусловленной  движением поездов. Оба способа  экранирования обеспечивают рассогласование  импедансов в грунте, что приводит к нарушению процесса распространения волн в грунте.

 

4.3.5. Виброизоляция зданий

 

Установка виброизолирующих прокладок в здании под свайные  фундаменты, у основания колонн или  сводов и в других местах соединения различных элементов конструкции  здания может способствовать вибро- и шумоизоляции зданий или отдельных зон внутри здания. Свинцово-асбестовые прокладки примерно с 1915 г. нашли широкое применение для изоляции крупных зданий от шума в вибрации, возбуждаемых железной дорогой и метрополитеном. В 60-х годах подобные прокладки были применены при сооружении отеля "Квин

Элизабет" в Монреале и  концертного зала Звери Фишер  в Нью-Йорке. Применение этих прокладок, по-видимому, привело к значительной виброизоляции-снижению уровня вибрации примерно на 10 дБ.

 

В тех случаях, когда необходимо обеспечить тишину лишь в нескольких помещениях существующих зданий, рекомендуется  сооружение "помещения в помещении", как это делается давно применительно  к радио, телестудиям и акустическим камерам. В этом случае требуется  обеспечить "плавающую" на упругом  основании коробку защищаемого  помещения со своими ограждающими конструкциями  внутри существующего здания. При  таком решении тихое помещение  будет виброизолировано от динамических внешних воздействий.

 

Во всех виброзащищенных  конструкциях зданий должны быть приняты  меры к перекрытию всех путей (акустические мостики) передачи значительных вибраций или к обеспечению их эффективной  виброизоляции. В противном случае вибрация будет распространяться по этим путям, сводя на нет все меры по ограничению шума, достигнутые  с помощью виброизоляции.

 

Шум и вибрация при движении поездов.

 

Во многих мегаполисах  железная дорога практически стала  городским видом транспорта. Например, в городе Караганде вокзалы, сортировочные  станции оказались почти в  центре города. Рядом с железнодорожными магистралями поднялись предприятия  и жилые районы. Увеличение интенсивности  и скорости движения поездов, сооружение сквозных железнодорожных путей  через городскую застройку влекут за собой значительный рост уровней шума в жилой зоне города и пригородных зонах отдыха населения.

 

Шум от поездов вызывает негативные последствия, выражающиеся прежде всего в нарушении сна, ощущении болезненного состояния, в изменении поведения, увеличении употребления лекарственных препаратов и т. д. Нарушение сна может иметь различные формы: удлинение периода засыпания, пробуждения во время сна, ухудшение качества сна, т. е. переход от глубокого сна к более легкому, поверхностному. Мгновенные прерывания сна учащаются с увеличением частоты и силы звука. При равном акустическом показателе шум от поездов вызывает в 3 раза меньше нарушений сна, чем шум от автомобилей. На сон влияет не только уровень шума, но и число его источников.

 

Восприятие шума поездов  зависит от общего шумового фона. Так, на заводских окраинах городов он воспринимается менее болезненно, чем  в жилых кварталах. Шум от вокзалов и особенно сортировочных станций  вызывает более негативные последствия, чем шум от обычного движения поездов.

 

Шум железной дороги заглушает  человеческий голос, он мешает при просмотре  и прослушивании теле- и радиопередач. Как показали результаты анкетирования, шум поездов в большей степени  препятствует восприятию речи, чем  шум от автомобильного движения. Это  объясняется, прежде всего, продолжительностью шумового эффекта, вызываемого движением  поезда. Шум может стать причиной стрессового состояния, характеризующегося повышением активности центральной  и вегетативной нервной систем. О  приближении пассажирского и  тем более грузового поезда известно задолго до его появления - по шуму, знакомому всем перестуку колес, железному лязгу. Через города и  поселки, по берегам тихих рек, заповедным местам днем и ночью идут составы. И это отнюдь не благотворно воздействует на людей, животный мир природы и  даже на ее растительный наряд.

 

Исследователями получены характеристики шумов всех категорий поездов  в зависимости от скорости и интенсивности  их движения, данные по шуму грузовых дворов и станций, депо, тяговых подстанций и других объектов железнодорожного транспорта.

 

Шум поезда слагается из шума локомотива и вагонов. При работе тепловозов наибольший шум отмечается у выпускной трубы двигателя, где уровни звукового давления достигают 100–110 дБА. Даже на расстоянии 50 м от оси крайнего пути наружный шум тепловоза составляет 83– 89 дБА.

 

Основным источником шума вагонов являются удары колес  на стыках и неровностях рельсов, а также трение поверхности катания  и гребня колеса о головку рельса. Качение колес по сварному рельсу без выбоин и волнообразного износа приводит к образованию шума в  широком диапазоне частот. При  этом уровни и частотный спектр шума зависят от состояния рельсового пути и колес, а также от возбуждаемых в них колебаний. Дефекты поверхности  рельсов вызывают вибрации и удары, снижают устойчивость рельсов и  верхнего строения пути в целом, приводят к износу подвижного состава и  повышению уровня шума на величину до 15 дБА. Стыки рельсов вызывают ударный шум с повышением его уровня до 10 дБА. К таким же результатам приводят различные неровности, выбоины и нарушения кривизны поверхности катания и гребня колес. При движении в кривых малого радиуса иногда возникают скрежущие шумы. Такие же шумы наблюдаются и при пользовании дисковыми тормозами.

 

Существенное значение имеют  шумы, вызываемые работой двигателей локомотивов. Шум, создаваемый электровозом, обычно не превышает уровень шума, производимого вагонами. Наиболее шумящими агрегатами являются вентиляторы. Тепловозы, двигатели которых оборудованы  глушителями на впускных и выпускных  трубопроводах и звукоизолирующими  покрытиями, не вызывают значительных шумов.

 

Шумы возникают также  от ударов в ходовых частях, от дребезжания  тормозных тяг, колодок, автосцепки и др.

 

При движении поезда со скоростью 70 –80 км/ч по рельсам, уложенным на деревянных шпалах, звуковое давление у колес составляет 125–130 дБ, а  по рельсам, лежащим на железобетонных шпалах, - всего на 1– 2 дБ больше. В  зависимости от скорости движения шум  возрастает в среднем для пассажирских поездов на 0,37 дБ, для грузовых на 0,3 дБ и для локомотивов на 0,23 дБ при увеличении скорости на 1 км/ч. Уровни звука от пассажирских, грузовых и  электропоездов при скорости движения 50–60 км/ч составляют 90– 92 дБА.

 

Высокий уровень и среднечастотный  характер колесного шума поезда по санитарной оценке весьма неблагоприятны и требуют эффективных мер  его снижения. Однако применяемые  на практике методы и приемы пока не дают заметного эффекта. Так, общее  снижение шума в результате укладки  бесстыкового пути и установки резиновых прокладок между рельсами и шпалами составляет всего        6–12 дБА. В то же время волновой износ рельсов повышает шум на 20 дБА. Резиновые прокладки в колесах на железнодорожном транспорте не применяются.

 

Строительство железных дорог  и капитальный ремонт пути.

 

В 1990-1996 годах на железных дорогах Казахстана капитальный  ремонт пути с заменой материалов верхнего строения на новые практически не производился. Только с 1997 года инвестиционная деятельность отрасли несколько оживилась. С 1997 года  было капитально отремонтировано более 2500 км пути с использованием новых материалов верхнего строения, произведены усиления и модернизация линии Актогай - Достык, развитие станции Достык.

 

По проекту «Развитие  мощностей железнодорожного транспорта Республики Казахстан» финансировались  работы по строительству новой железнодорожной  линии:

 

- Аксу - Дегелен;

 

- Хромтау - Алтынсарино;

 

- электрификации участка  Отар - Алматы-2 и Экибастуз - Павлодар.

 

Произведены работы по модернизации пути на участке Жанасемей – Дегелен. Реконструировались и объекты социального назначения (в основном объекты здравоохранения). Инвестиционные средства направлялись также на замену отслуживших срок машин и оборудования.

 

Однако, устаревшая неэффективная  технология текущего содержания, ремонтов пути в условиях отсутствия механизированных комплексов, современных средств  малой механизации, при которой  большая часть работ осуществляется ручным методом и не обеспечивается высокое качества работ, что не позволяет  существенно снизить воздействия  на окружающую среду. Недостаточность  и состояние средств защиты прилегающих территории к железным дорогам приводит не только к сбоям в движении поездов, но и к загрязнению окружающей среды.

 

Мероприятия по снижению шума. Для защиты от шума при проектировании железных дорог необходимо предусматривать  в городах обходные линии для  пропуска транзитных грузовых поездов  без захода в город, размещать  сортировочные станции за пределами  населенных пунктов, а технические  станции и парки резервного подвижного состава - за пределами селитебной территории. Вне этой территории должны проходить  железнодорожные линии для грузовых перевозок и подъездные пути.

 

При новом строительстве  требуется отделять железнодорожные  линии и станции от жилой застройки  городов и других населенных пунктов  разрывами. Предусмотренные нормами  санитарные разрывы 100 м в городах  и 50 м в поселках от железнодорожных  линий до жилой застройки недостаточны. Сортировочные, пассажирские и грузовые станции должны находиться от жилой  зоны на расстоянии не менее 300 м.

 

Интересен опыт строительства  гаражей вдоль железнодорожной  линии с целью защиты от шума. Например, в Караганде вдоль железнодорожного полотна построено немало частных  гаражей ленточного типа. Благодаря  этому уменьшилось воздействие  шума на прилегающие селитебные территории, повысилась безопасность движения вследствие уменьшения заходов на путь в неустановленных  местах. Кроме того, гаражи препятствуют появлению стихийных свалок, нестандартных  ограждений.

 

При установке шумопоглощающих экранов вдоль железной дороги на расстоянии 2,5 м от оси пути, имеющих минимальную высоту 1,5 м и шумопоглощающее покрытие на внутренней стороне, уровни шума проходящих поездов могут быть снижены на 10 дБА на расстоянии до 100 м. К сожалению, на больших городах этот метод мало используется.

 

Изгороди, деревья и другие посадки приводят к аналогичному эффекту при достаточной ширине посадок. В соответствии с расчетами  полоса зеленых насаждений шириной 50 м снижает уровень шума на 5 - 10 дБА.

 

Исследование генерирования  и способов уменьшения шума от движущегося  подвижного состава имеет большое  значение в решении проблемы защиты окружающей среды.

 

Совершенствование конструкций  подвижного состава сопровождается понижением уровня шума. Так, эксплуатировавшиеся  ранее пассажирские поезда при скорости 130 км/ч на стыковом пути создавали  шум, уровень которого достигал 92 дБА на расстоянии 25 м от пути. Пассажирский поезд «Тулпар» с вагонами фирма «Тальго» при скорости 160 км/ч на бесстыковом пути создают шум 89 дБА, так как корпуса вагонов выполнены из дюралюминия. Вагон фирмы «Тальго» легкий и бесшумный, в салоне, несмотря на скорость, гораздо тише, чем в обычном поезде. Кроме того, вагоны имеют обтекаемую форму и низкий профиль. Их высота на 60 см ниже по сравнению с обычными электропоездами, что значительно снижает шум, возникающий при движении.

 

Снижение шума в источнике  его возникновения может быть достигнуто на железнодорожном транспорте:

 

- заменой звеньевого пути  бесстыковым с упругими прокладками между рельсами и шпалами;

 

- проведением комплекса  работ, обеспечивающих снижение  шума от локомотивов и вагонов;

 

- заменой пневматических  горочных замедлителей гидравлическими;

 

- переоборудованием системы  громкоговорящего (паркового) оповещения  другими видами связи;

 

- уменьшением числа подаваемых  звуковых сигналов;

 

- ограждением железнодорожных  путей;

 

- строительством переездов  в двух уровнях и т. д.

 

Несмотря на исследования по изысканию возможности уменьшения шума тепловозов в основном его источнике - двигателе, эффективные пути пока не найдены. Снижение общего шума от тепловозов имеет место уже после применения некоторых средств по вибро - и шумопоглощению в различных источниках. Такими средствами являются глушители на выпуске газов, виброизоляция двигателя и всех вспомогательных механизмов, более совершенная конструкция рессорного подвешивания, щиты и колпаки для частичной звукоизоляции верхних и боковых поверхностей дизеля, кожуха для компрессоров, воздуходувок и вентиляторов и др.

 

Практика показала, что  весьма эффективным средством защиты населения от шума является строительство  вдоль железнодорожного полотна  объектов промышленного и хозяйственного назначения. Так, после того как вокруг одной из сортировочных станций  были возведены производственные корпуса, практически прекратились жалобы жителей  на шум, производимый железной дорогой. На станциях внедрены автоматические справочные установки, шире стали применять  переносные радиостанции.

 

 

Волновые  процессы. Продольные и поперечные волны.

        Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, фазы колебаний частиц среды и источника тем больше отличаются друг от друга, чем больше это расстояние. При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды и среда рассматривается как сплошная, т. е. непрерывно распределенная в пространстве и обладающая упругими свойствами.

Процесс распространения колебаний в  сплошной среде называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.