Снижение шума подвижного состава железнодорожного транспорта в источнике образования и на пути распространения

Автор: Куклин Д.А.

Введение

 

 

Железнодорожный транспорт является одним из самых энергоэффективных видов транспорта. Однако наряду со многими неоспоримыми достоинствами железнодорожный транспорт часто становится причиной жалоб населения на повышенный шум.

Железнодорожное сообщение заметно увеличивает акустическое загрязнение ОС. По данным комиссии ЕС по железнодорожному транспорту примерно 10% населения ЕС подвержено вредному воздействию шума от железнодорожного транспорта, которое является угрозой здоровью, а также является причиной беспокойства и дискомфорта.

 

 

1. Источники шума железнодорожного транспорта

 

Воздействие шума железнодорожного транспорта на окружающую среду и пассажиров чрезвычайно многообразно. По интенсивности этот шум занимает промежуточное положение между авиационным и автомобильным, но по числу источников шума различного происхождения ему нет равных.

Можно выделить три основных объекта, на которые воздействует шум от железнодорожного транспорта:

1) селитебная зона;

2) пассажиры и обслуживающий персонал на станциях;

3) пассажиры и обслуживающий персонал поездов.

На примагистральных территориях и в селитебной зоне основными источниками шума в окружающей среде являются (таблица 1):

– шум локомотива;

– звуковые сигналы;

– аэродинамические взаимодействия подвижного состава с окружающей средой (при скорости более 200 км/ч);

– взаимодействие пути и подвижного состава при движении (излучение шума системой колесо-рельс) – или шум качения;

– вентиляционные системы (это характерно для метрополитена);

– структурный шум, возникающий от передачи вибрации в системе колесо-рельс в близко расположенные здания;

– машины и механизмы для производства работ по текущему содержанию и ремонту путей (путевые машины и механизмы);

– вспомогательное оборудование;

– производственные предприятия железнодорожного транспорта (сортировочные и грузовые станции, локомотивные и вагонные депо);

– тяговые подстанции;

– железнодорожные мосты (при движении по ним подвижного состава).

 

Таблица 1

Источники шума железнодорожного транспорта [4]

 

Источник шума	Расстояние, м	УЗ, дБА
Движение поезда по мосту со скоростью 60–80 км/ч	25	80-90
Движение подвижного состава при скоростях 150…200 км/ч	25	85-95
Электровозы	25	75-80
Тепловозы	25	80-95
Путевые машины вибрационного действия, щебнеочистительные машины	25	80-95
Соударение вагонов	30	95-100
Звуковые сигналы локомотивов и электроподвижного состава	25	100-110
Тяговые подстанции	30	45-50
Сортировочные станции	100-150	70-85

 

Основные источники шума, действующие на людей, находящихся на перронах, в залах ожидания и других помещениях вокзалов, следующие:

– громкоговорящие системы оповещения;

– шум приближающегося (уходящего) поезда;

– шум вспомогательного оборудования (вентиляционные системы, эскалаторы, уборочные машины, кондиционеры, системы отопления и пр.).

Характеристики шума некоторых из этих источников приведены в таблице 2.

 

Таблица 2

Источники шума, действующие на вокзалах [4]

 

Источник шума или месторасположение пассажира	Эквивалентные УЗ, дБА
Эскалатор	55-60
Уборочная машина	75-85
Громкоговорящие системы оповещения Проходящий грузовой состав	80-90 90-100
Перрон станции метрополитена (при подходе поезда)	75-85

 

В вагоне транспортного средства воздействует в основном шум от качения колеса по рельсу, а также работа вспомогательных агрегатов (компрессора, электродвигателя и пр.). В метрополитене дополнительный источник шума – отражение звука от поверхности тоннеля. Уровни шума в вагонах даны в таблице 3.

 

Таблица 3

Шум в вагонах при движении со скоростью 60–80 км/ч

 

Вагоны	УЗ, дБА
Пассажирские поезда	60-70
Электроподвижной состав	70-85
Метрополитен	80-90

 

Шум поездов при различных скоростях находится в пределах показанных в таблице 4:

 

Таблица 4

Характеристики шума поездов

 

Тип поезда	Скорость, км/час	Уровни звука, дБА
Грузовые	30-90	78-88
Электропоезда	40-120	76-90
Пассажирские	40-130	78-88
Высокоскоростные поезда «Сапсан»	100-220	68-86

 

 

 

2. Образование и снижение внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом в источнике возникновения

 

2.1    Общая характеристика процессов шумообразования

 

Анализируя процессы шумообразования поездов можно выделить три основные группы:

–      шум оборудования;

–      шум качения;

–      аэродинамический шум.

Интенсивность шума зависит в основном от скорости и в общем виде представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость шума железнодорожного поезда от скорости

 

Шум оборудования (компрессоры, тяговые электродвигатели и др.) превалирует на скоростях до 50-60 км/ч. Шум качения – процесс соударения в системе «колесо – рельс» определяется зависимостью 30lgV (V – скорость движения, км/ч) и превалирует в диапазоне скоростей 60-300 км/час. Аэродинамический шум образованный обтеканием воздухом корпуса подвижного состава, пантографа и др. определяется зависимостью 60lgV и превалирует на скоростях свыше 300 км/ч.

Определенный вклад в процессы шумообразования дают такие процессы как дребезжание корпуса подвижного состава (корпусной шум), «визг» колеса в кривых, звукоизлучение тормозных колодок и колеса при торможении (шум торможения), соударение вагонов (шум сцепки), отражение звука при установке рельсов на плитах, удары на стыках рельсов и др.

 

2.2    Шлифование рельсов

 

Один из основных вкладов в процесс образования внешнего шума железнодорожного транспорта вносит шума качения, то есть шум возникающий при взаимодействии колеса и рельса.

Шум колеса и рельса появляется в результате вибрации, вызванной их взаимодействием. Процесс образования шума качения описывается моделью, созданной Ремингтоном [12]. Графический вид этой модели показан на рис. 2.

 

Рис. 2. Модель, описывающая возникновение шума качения

 

Обратим внимание на некоторые особенности рассматриваемой модели. Излучение шума происходит не только контактирующими но и присоединёнными поверхностями, например, шпалами (рис. 3).

 

Рис. 3. Звукоизлучение входящих элементов верхнего строения пути и колеса

 

В модели принято понятие контактного фильтра. Это важная составляющая модели. В месте контакта образуется контактное пятно, где, помимо двух основных тел колеса и рельса, можно выделить третье тело – промежуточный слой, состоящий из смеси оксида железа, и других продуктов износа колес и рельсов. Эта смесь выполняет роль своего рода прокладки, или фильтра, снижающего возникающие напряжения.

В реальных условиях наблюдается некоторое линейное перемещение колеса относительно рельса то есть движение колеса фактически представляет собой сочетание качения и скольжения по поверхности рельса (рис. 4)

Рис. 4. Схема взаимодействия колеса с рельсом

 

В контактном пятне имеют место чрезвычайно высокие давления, соответствующие усилиям сдвига, и это приводит к значительным затратам энергии. Вследствие этого в зоне пятна контакта действуют значительные контактные силы и излучается высокоинтенсивный шум.

Из-за ударного характера взаимодействия в контактирующих телах возбуждается весь спектр собственных частот, на которых излучается шум.

В зоне контакта колеса с рельсом возникает контактное давление, которое состоит из статической нагрузки вызванной массой приходящейся на колёсную пару, и динамических сил, связанных со скоростным режимом поезда. Эти силы возникают из-за неровностей поверхностей катания в точке контакта. Контактное давление зависит, главным образом, от амплитуды неровностей в точке контакта [23].

Для рельсов характерен волнообразный износ поверхности катания, характеризуемый периодическими неровностями длиной приблизительно 50-100 мкм и высотой в несколько десятков микрометров в зависимости от степени износа. Величина неровностей в значительной мере влияет на шум качения.

Шум качения также возрастает, если на колесах возникают неровности от торможения, так называемые «ползуны».

Для снижения шума качения вызванного волнообразным износом рельсов в ЕС применяется шлифование рельсов. По литературным данным эффект снижения шума после шлифования рельсов составляет около 6 дБА.

В рамках выполнения научно-исследовательской работы по заданию ОАО «РЖД» на II-ом главном пути Волховского хода Октябрьской железной дороги на участке «Войбокало»…«Новый Быт» (ПК949+40) в период 11.11.2012 по 25.11.2012 г. был проведен эксперимент по определению акустической эффективности шлифования рельсов рельсошлифовальным поездом фирмы «СПЕНО».

Схема расположения микрофонов и датчиков при проведении эксперимента представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема расположения микрофонов и датчиков

 

Микрофоны на расстоянии 1 м от рельса были установлены на высоте головки рельса (рис. 6). Микрофоны на расстоянии 25 м от оси пути были установлены на высоте 1,5 м от уровня земли.

Рис. 6. Установка микрофонов в на расстоянии 1 м от рельса

Рис. 7. Установка трёхкомпонентного вибродатчика на рельс

 

Состояние поверхности катания рельсов до шлифования представлено на рис. 8. Состояние поверхности катания рельсов после шлифования представлено на рис. 9. На рисунках обведены общие точки для идентификации одного и того же участка.

Рис. 8. Поверхности катания рельсов до шлифования

 

Рис. 9. Поверхности катания рельсов после шлифования

 

Из рис. рис. 8. и рис. 9. видно, что неровности, которые были до шлифования стали меньше или исчезли совсем, однако обнажились другие неровности (каверны) которые до шлифования на поверхности не выступали. На радиусной поверхности головки рельса образовались продольные трещины, которые до шлифования не проявлялись (указано стрелкой).

Данные измерений шума и вибрации показаны на рис 10-12 (на примере прохождения пассажирского состава). На рис. 10 показаны результаты измерения шума на расстоянии 1 м и 25 м от путей до и после шлифования из графика видно, что в ближнем поле по разным колёсам эффективность шлифования составляет от 1 до 6 дБА. А на контрольном расстоянии 25 – от 1 до 4 дБА.

Рис. 10. Результаты измерений уровней звука на расстояниях 1 м и 25 м во время прохождения пассажирского поезда до и после шлифования рельсов

Рис. 11 Уровни звукового давления звука на расстояниях 1 м и 25 м до и после, шлифования рельсов

Рис. 12. Значения виброускорения рельса по оси z (вертикально), до шлифования и после шлифования при прохождении пассажирского поезда

 

Снижение шума при проведении шлифования составило от 2,5 до 3,5 дБА. Столь невысокие результаты (в зарубежных данных приводится больший эффект) объясняется применяемым методом шлифования. В РФ согласно «ТУ по шлифованию рельсов» от 22 февраля 2011 г. № 388 производится шлифование для поддержания механических свойств рельсов. В ЕС применяют, так называемое акустическое шлифование.

Такое шлифование производится в два приёма последовательно идущими поездами. Первый поезд осуществляет фасонное фрезерование или строгание рельса с формирование правильного профиля, а второй поезд производит сглаживание микронеровностей оставшихся после фрезы. Кроме того, эффект снижения шума от шлифования рельсов очень сильно нивелирует плохое состояние колёсных пар отечественных вагонов. Особенно плохое состояние колёс у вагонов цистерн и полувагонов. Наилучшее состояние поверхностей катания колёс у пассажирских вагонов, поэтому на этих типах вагонов и был получен наилучший эффект.

Таким образом, для достижения большего эффекта снижения шума необходимо не только акустическое шлифование поверхностей рельсов, но и лучший контроль за техническим состоянием колёсных пар (особенно грузовых вагонов).

Наилучший результат снижения шума от процедуры шлифования рельсов в текущих условиях будет получен на участках, где выведено грузовое движение и осуществляется в основном движение пассажирских, моторвагонных и скоростных поездов, как имеющих меньшее количество дефектов поверхностей катания колёсных пар.

 

2.3    Накладки на шейку рельса

 

Одним из направлений снижения шума качения в источнике образования является снижение звукоизлучения рельса Это достигается установкой вибродемпфирующих накладок на шейку рельса. Общий вид накладок представлен на рис. 13.

Рис. 13. Общий вид вибродемпфирующих накладок на шейку рельса

 

Проверка акустической эффективности данного средства снижения шума проводилась на выделенном экспериментальном участке на перегоне Дибуны – Белоостров Октябрьской железной дороги.

Результаты испытаний для трёх типов поездов (грузовые поезда, электропоезда, пассажирские поезда) приведены на рис 14-16.

Рис. 14. Результаты измерений УЗД на расстоянии 1 м от рельса с накладкой и без накладки, при проезде грузового поезда

Рис. 15. Результаты измерений УЗД на расстоянии 1 м от рельса с накладкой и без накладки, при проезде пассажирского поезда

Рис. 16. Результаты измерений УЗД на расстоянии 1 м от рельсас накладкой и без накладки, при проезде электропоезда

 

Анализируя характеристики 1/3 октавных спектров можно утверждать, что в низкочастотной области имеет место эффект демпфирования, а высокочастотной вставка частично выполняет функции звукоизоляции. Любопытно отметить характерную для всех измеренных спектров характерную область на частоте 1000 Гц, на которой вставки не имеют эффекта. Это подтверждает влияние звукоизоляции на высоких частотах.

Таким образом, снижение УЗД составило от 2 до 5 дБ в средне-низкочастотной области спектра от 1 до 2 дБ в высокочастотной. Снижение уровня звука составляет около 3 дБА.

 

 

3       Снижение шума железнодорожного транспорта на пути распространения

 

3.1    Особенности распространения внешнего шума железнодорожного транспорта

 

При распространении звука в пространстве от движущегося поезда в близрасположенную застройку происходит снижение уровней звука (УЗ) и уровней звукового давления (УЗД) с расстоянием, обусловленное явлением дивергенции, т.е. расхождения звукового поля во все больший объем пространства. Характер уменьшения УЗ и УЗД с расстоянием от поезда определяется его длиной. Протяженный поезд является источником цилиндрических звуковых волн, характерных для линейных излучателей. Для условно бесконечных линейных источников характерно снижение на 3 дБ (дБА) при каждом удвоении расстояния. Поезд имеет конечные размеры, поэтому указанная закономерность имеет ограничение, т.е. при увеличении расстояния цилиндрическая волна переходит в квазицилиндрическую (снижение 4-5 дБ), а затем в сферическую (снижение 6 дБ), когда поезд представляется точечным источником звука. Данные снижения УЗ от различных поездов с увеличением расстояния при прохождении поезда оп насыпи приведены в таблице 5.

 

Таблица 5

Снижение шума для различных типов поездов на участке с плоском рельефом

Расстояние, м	Тип поезда	Снижение УЗД, дБ, в полосах со среднегеометрическими частотами Гц									Снижение УЗ, дБА
		31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
25	электропоезд	-1,5	-2,0	-4,0	-6,0	-5,0	-6,0	-6,0	-6,0	-6,0	-6
	пассажирский	-2,0	-3,5	-5,0	-6,0	-4,0	-5,0	-5,0	-5,0	-7,0	-5
	скоростной	-3,0	-4,0	-6,0	-6,5	-4,0	-4,5	-5,0	-6,5	-7,5	-5
	грузовой	-2,5	-2,5	-4,5	-5,0	-3,5	-3,5	-4,0	-5,0	-6,0	-4
50	электропоезд	-2,0	-3,0	-5,0	-7,0	-4,0	-6,0	-5,0	-6,0	-6,0	-5
	пассажирский	-2,0	-3,0	-6,0	-7,0	-5,0	-5,0	-5,0	-6,0	-7,5	-5
	скоростной	-3,0	-4,5	-6,0	-7,0	-4,5	-5,0	-6,0	-7,0	-8,0	-6
	грузовой	-2,0	-3,5	-5,0	-5,5	-4,0	-4,0	-5,0	-5,5	-7,0	-4
100	электропоезд	-5,0	-6,0	-6,0	-7,0	-7,0	-2,0	-6,0	-7,0	-9,5	-4
	пассажирский	-2,0	-2,5	-3,0	-7,0	-5,0	-2,0	-4,0	-6,0	-9,0	-3
	скоростной	-2,0	-2,0	-2,5	-6,0	-5,0	-2,5	-4,0	-5,0	-7,0	-4
	грузовой	-3,0	-4,0	-3,0	-7,0	-3,5	-3,0	-3,5	-5,0	-9,0	-1,5

 

Разница уменьшения УЗ в свободном пространстве, например, для расстояния 100 м может достичь 4 дБА между грузовыми (длинный поезд) и электропоездами (короткий поезд).

 

 

3.2.   Снижение шума железнодорожного транспорта малыми акустическими экранами

 

 

Применения средств снижения шума качения в источнике не обеспечивает снижения шума до требуемых величин. Эффективной мерой снижения шума на пути распространения от источника является применение средств ближней звукоизоляции. В качестве такого средства может рассматриваться преграда в виде малого акустического экрана, расположенного вблизи головки рельса в пределах разрешенных габаритов. Расчетная схема такого устройства показана на рис. 5.1.

Рис. 17. Расчетная схема БСЗ:

1 – источник шума (пара колесо – рельс); 2 – БСЗ; 3 – расчетная точка (РТ); 4 – защищаемый от шума объект; 5 – опорная поверхность между БСЗ и РТ; 6 – опорная поверхность между источником шума и БСЗ

 

Для определения акустической эффективности средства ближней звукоизоляции – малого акустического экрана был выделен экспериментальный участок финских железных дорог c установленным экспериментальным экраном Soundim. Высота верхнего ребра экрана от уровня головки рельса составляла 850 мм. Расстояние от экрана до оси пути составляло 1920 мм. Общий вид экрана представлен на рис. 18. Процесс проведения измерений представлен на рис. 19.

 

Рис. 18. Общий вид малого акустического экрана Soundim

 

Рис. 19. Проведение измерений акустической эффективности акустического экрана Soundim

 

Результаты эффективности акустического экрана Soundim представлены на рис. 20-21.

 

Рис. 20. Результаты акустической эффективности экрана Soundim при прохождении пассажирского поезда

  

Рис. 21. Результаты акустической эффективности экрана Soundim при прохождении грузового поезда

 

 

Эффективность экрана Soundim на измеренном участке финских железных дорог имеет эффективность 8-10 дБА при движении по путям непосредственно прилегающих к экрану и 4-7 дБА при движении по путям удалённых от экрана, что сопоставимо с эффективностью экранов других производителей и других конструкций экранов. Наиболее эффективным применения экранов конструкции Soundim будет на участках где организовано движение скоростных поездов, пригородных электропоездов и пассажирских поездов

В настоящее время эффективность мер по снижению шума на пути распространения (установка АЭ) в среднем составляет 10-15 дБА, что в 2-3 раза больше чем эффективность мер снижения шума в источнике образования (вибродемпфирование или звукоизоляция шейки рельса и др). Наилучших результатов можно достигнуть применяя эти меры совместно.

 

 

Литература

 

1. О концепции снижения уровней шума и вибрации в городе Москве. Постановление Правительства Москвы, 16 октября 2007 г., №896-ПП.
2. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки, Минздрав России, Москва 1997.
3. Interoperability of the Trans-European high-speed rail system – Directive 96/48/EC

–      Technical specification for interoperability (TSI) relating to high-speed rolling stock – Commission Decision 2002/735/EC;

–      Technical specification for interoperability (TSI) relating to high-speed railway infrastructures – Commission Decision 2002/732/EC.

4. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учебник,– М.: Логос, 2010, – 424 с.
5. Куклин Д.А. Расчет шумовых характеристик потоков железнодорожного транспорта. Специальном выпуск «ELPIT-2012» научного издания «Известия Самарского научного центра РАН», г. Самара, 2012 г., т 14, с. 885-888.
6. Иванов Н.И., Куклин Д.А. Проблема шума железнодорожного транспорта и пути ее решения. Сборник трудов III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 22-24 марта, 2011 стр. 108-123.
7. Руководство по разработке карт шума улично-дорожной сети города. – М., 1980.
8. СНиП 23-03-2003 «Защита от шума». М.: Госстрой, 2004.
9. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов. – М., 1995.
10. Защита от шума в градостроительстве. Справочник проектировщика. М., Стройиздат, 1993.
11. Буторина М.В., Н.И. Иванов, А.В. Кудаев, Д.А. Куклин, Г.М. Курцев, А.Е. Шашурин. Результаты картирования шума Санкт-Петербурга. Журнал «Безопасность жизнедеятельности», август №8/2009, с. 9-12.
12. Remington P.J. Wheel/rail rolling noise/ Theoretical analysis. Journal of the Acoustical Society of America, 1987, 81, 1805-1823.
13. Шум на транспорте/Под ред. В.Е. Тольского, Г.В. Бутакова, Б.Н. Мельникова, М.: Транспорт, 1995.
14. Шум качения и методы борьбы с ним. «Железные дороги мира»/ Пер. T. Klimpel, K. Knothe. Glasers Annalen, 2002, № 10, S. 450 – 457.
15. D.J. Thompson and C.J.C.Jones. Resent Developments in Railway Noise Reduction Technology. Sixth International Congress on Sound and Vibration. 5-8 july,1999, Copenhagen, Denmark, p. 2613-2628/
16. Снижение шума в кривых. «Железные дороги мира» – 2009, № 6 с. 70-76.
17. Иванов Н.И., Прокудин И.В., Дариенко И.Н., Куклин Д.А., Буторина М.В., Тюрина Н.В. Проблема снижения шума и вибрации поездов. Сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия», СПб, 17-19 марта, 2009 с. 9-35.
18. ГОСТ Р 54933-2012. Шум. Методы расчета уровней внешнего шума, излучаемого железнодорожным транспортом.
19. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 с изменениями. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов.
20. ГОСТ 31295.2-2005 (ИСО 9613-2:1996) Шум. Затухание звука при распространении на местности. Часть 2. Общий метод расчета.
21. ГОСТ Р 53187-2008 Акустика Шумовой мониторинг городских территорий.
22. Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 43-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. «Руководство по выражению неопределенности измерений».
23. Свод правил по проектированию и строительству. СП 23-104-2004. Оценка шума при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена
24. Методические рекомендации по оценке необходимого снижения звука у населенных пунктов и определению требуемой акустической эффективности экранов с учетом звукопоглощения. Утверждены распоряжением Минтранса России № ОС-362-р от 21.04.2003 г.
25. Применение малошумных тормозных накладок из композита и металлокерамики. «Железные дороги мира» –2008, № 9, с. 67-69.
26. Снижение уровней излучаемого колесом шума. «Железные дороги мира» – 1993, № 12, с. 34-37.
27. Превентивное шлифование рельсов для снижения уровня шума. «Железные дороги мира» – 2011, № 12, с. 63-66.
28. Малошумный путь. «Железные дороги мира»/ Пер D. Thompson, C. Jones. Railway Gazette Intemational. 2002, № 7, p. 363 – 366.
29. Звукоизолирующий экран на шейке рельса. «Железные дороги мира» – 2011, № 3, стр. 75-77.
30. Н.И. Иванов, Н.Г. Семенов, Н.В. Тюрина. Акустические экраны для снижения шума в жилой застройке. Приложение к журналу «Безопасность жизнедеятельности», апрель №4/2012, 24 с.
31. ГОСТ Р 54931-2012. Экраны акустические для железнодорожного транспорта. Технические требования.
32. ГОСТ Р 54932-2012. Экраны акустические для железнодорожного транспорта. Методы контроля.
33. Куклин Д.А., Тюрина Н.В. Исследования акустических экранов для снижения шума поездов. Безопасность жизнедеятельности: научно-практический и учебно-методический журнал – М.: Изд-во «Новые технологии», 2009. —№8. с. 9-12.