Снижение уровня шума
в кривых
Чт, Ноябрь 11, 2010 - 1:57 / Автор: dronsovest
При движении подвижного
состава в кривых малого радиуса
генерируется скрежет, в котором
доминируют узкополосные шумы
с частотами от 500 Гц до 8 кГц.
Уровень их громкости гораздо
выше, чем обычный уровень шума
от качения колес по рельсам
на прямолинейном участке при
прочих равных условиях.
Скрежет в кривых
возникает тогда, когда колесная
пара из-за разных радиусов
качения колес не может катиться
по рельсам без проскальзывания.
Меры по предотвращению или
уменьшению скрежета могут предприниматься
на различных стадиях генерирования
этого шума. При этом должны
соблюдаться определенные требования,
такие, например, как минимально
допустимое значение коэффициента
трения, умеренные эксплуатационные
расходы жизненного цикла, а
также типовые условия железнодорожной
сети и реализуемых в ней
эксплуатационных процессов. Кроме
того, при использовании смазочных
средств должна подтверждаться
их экологическая безвредность.
Для предотвращения
скрежета на подвижном составе
могут использоваться следующие
решения: колеса, вращающиеся на
оси, классические колесные пары
с радиальной установкой колес,
колесные шумопоглотители (абсорберы),
смазывание гребня бандажа или
поверхности катания колеса. Могут
предприниматься также соответствующие
мероприятия со стороны пути,
такие, например, как смазка внутренней
грани или поверхности катания
рельса, его шумоизоляция, совершенствование
систем рельсовых скреплений
и применение рельсов различного
профиля для внутреннего и
наружного рельсов в кривых. По
сравнению с автомобильным и
воздушным транспортом железнодорожный
оказывает меньшее вредное воздействие
на окружающую среду по всем
факторам влияния, за исключением
одного — шума. Особенно обременительным
для жителей примыкающих к
железным дорогам районов является
шум от грузовых поездов, которые идут
преимущественно по ночам. В результате
замены чугунных тормозных колодок на
композиционные было найдено решение
для значительного сокращения шума от
подвижного состава. Важной задачей теперь
является уже разработка мероприятий
не по снижению уровня шума, генерируемого
при качении колеса по рельсу, а по быстрому
и полному преобразованию энергии звука
в другие ее виды. Если исходить из того,
что проблема шума качения в ближайшие
годы будет решена, то остаются такие проблемы,
как скрежет при прохождении кривых и
шум от вспомогательного оборудования
— вентиляторов и системы кондиционирования
воздуха.
Определение понятия «скрежет»
Под скрежетом от
подвижного состава при прохождении
кривых следует понимать шум,
который производится железнодорожным
подвижным составом при прохождении
кривых малого радиуса и который
не менее чем на 10 дБ(А) выше,
чем обычный шум от качения
колес по рельсам на прямолинейном
участке при тех же условиях
(например, при одинаковой шероховатости
рельсов одного и того же
типа).Приведенное определение можно
было бы считать достаточным,
однако скрежет имеет и другие
характерные особенности:
• обычно в скрежете
преобладают чистые тона или
узкополосные шумы;
• частоты находятся
в типовом диапазоне от 500 Гц
до 8 кГц, т. е. в наиболее
чувствительном для человеческого
слуха. В ряде исследований
речь идет о частотном диапазоне
скрежета 250 Гц —10 кГц.
Возникновение скрежета при
прохождении кривых
Для исследования этого
режима рассмотрена моторная
колесная пара тележки. Перемещаясь
в кривой, она стремится к продолжению
прямолинейного движения. В результате
набегания на наружный рельс
гребня колеса колесная пара
отжимается внутрь кривой, что
приводит к увеличивающемуся
изгибу внутреннего колеса. Когда
возвращающее усилие внутреннего
колеса становится больше силы
трения между ним и внутренним
рельсом, колесо отклоняется в
исходное ненагруженное положение
(или снова в такое положение,
в котором оно находится в
состоянии сцепления с рельсом,
поскольку сила трения снова
становится больше возвращающей
силы). Далее этот процесс многократно
повторяется, что вызывает широкополосное
возбуждение колеса. Подавляемые частоты
быстро исчезают, в то время как слабо
демпфируемые частоты собственных колебаний
возрастают. Колесо ведет себя как гонг
и издает звук, в котором доминируют один
или несколько чистых тонов. Вторая колесная
пара подвижного состава или тележки ведет
себя прямо противоположным образом по
отношению к первой, т. е. получается, что
возникновение скрежета здесь вызывается
колесом, катящимся по наружному рельсу
кривой.
Приведенный анализ
процесса образования скрежета
показывает, что шум в основном
генерируется колесом, которое
колеблется с собственной частотой.
Рельс практически не издает
никакого шума. Кроме того, уровень
шума почти не зависит от
скорости движения. Так как скрежет
при прохождении кривых возникает
на поверхности катания колеса,
то его называют «скрежетом
поверхности катания».
Скрежет от контакта гребня
бандажа
Как уже отмечалось,
при прохождении кривых малого
радиуса происходит набегание
гребня колесного бандажа на
наружный рельс. Так как колесная
пара стремится и дальше двигаться
по прямой, то образуется угол
набегания между колесной парой
и рельсом. В результате этого
возникает вторая точка касания
между колесом и рельсом, в
которой гребень бандажа скользит
сверху вниз по кромке рельса.
Трение этого скользящего контакта
приводит к возбуждению колебаний
как в колесе, так и в рельсе.
В результате возникает шум,
излучаемый и колесом, и рельсом.
Его уровень возрастает с увеличением
скорости. Так как шум этого
вида возникает в результате
контакта гребня бандажа колеса
с рельсом, то его называют
«скрежет от контакта гребня
бандажа».Оба рассмотренных вида
скрежета в зависимости от
воздействующих факторов могут
появляться как независимо друг
от друга, так и совместно.
Способы борьбы
Мероприятия по предотвращению
или снижению скрежета могут
предприниматься на различных
этапах процесса возникновения
обеих рассмотренных разновидностей
шума.
Конечно, предпочтительнее
предотвратить образование шума,
однако это не всегда возможно.
В связи с этим необходимо
также иметь возможность его
снижения. Если скрежет при прохождении
кривых приводит к повышению
уровня шума не менее чем
на 10 дБ(А), то понятно, что предпринимаемые
мероприятия должны приводить
к его снижению на такую
же величину. Уменьшение шума
может проявляться как в снижении
его уровня, так и в сокращении
длительности его воздействия.
Так как скрежет
при прохождении кривых на 10 –
35 дБ(А) громче обычного шума
от движущегося подвижного состава,
то меры, направленные только
на перекрытие путей его распространения
(например, шумозащитные стенки), оказываются
недостаточно эффективными. В связи
с этим здесь они не рассматриваются.
Скрежет поверхности катания
Для предотвращения
скрежета поверхности катания
могут использоваться различные
конструктивные решения, которые
позволяют колесным парам или
колесам свободно катиться по
рельсам в кривой:
• применение свободно
вращающихся на оси колес вместо
классических колесных пар. За
счет такой меры можно предотвратить
или существенно снизить скрежет
в кривых любого проходимого
радиуса. Проблемы при этом
часто возникают при входе
в кривую и при выходе из
нее, если система управления
не в состоянии установить
колеса точно параллельно рельсам;
• использование колесных
пар с радиальной установкой.
За счет такой меры можно
еще на определенную величину
уменьшить минимальный радиус
кривой, в которой обеспечивается
свободное качение колесной пары.
За счет уменьшения напряженного
состояния колеса уменьшается
амплитуда возбуждения. Уменьшенная
амплитуда режима прерывистого
контакта уже не в состоянии
возбуждать собственные колебания
колеса. Такое уменьшение может
достигаться за счет снижения
сил сцепления в точке контакта.
Для гашения собственных
колебаний колеса могут также
использоваться демпфирующие устройства,
которые либо могут быть составной
частью конструкции колеса, либо
устанавливаться на нем в виде дополнительных
устройств. Таким образом, любые мероприятия,
направленные на снижение интенсивности
колебаний колеса, ведут к снижению уровня
излучаемого им шума.
Скрежет от контакта гребня
бандажа
Для предотвращения
скрежета от контакта гребня
бандажа могут использоваться
различные конструктивные решения,
которые позволяют колесам так
катиться в кривой, чтобы они
касались рельса только в своей
самой нижней точке. Этого можно
достичь с помощью системы
направления: свободно вращающиеся
на оси колеса или колесные
пары устанавливаются таким образом,
чтобы плоскость колес всегда
была параллельна рельсам. За
счет уменьшения сил сцепления
в контакте между колесом и
наружным рельсом уменьшается
амплитуда возбуждения колебаний.
Возбуждение может
быть также уменьшено путем
дополнительного демпфирования
колеса и рельса независимо
от того, являются ли демпфирующие
устройства составной частью
конструкции колеса или рельса,
либо они установлены на колесе
или рельсе в виде дополнительных
устройств.
Эксплуатационные требования
Типовые условия высокоскоростных
транспортных систем в грузовых
перевозках, дальних и региональных
пассажирских перевозках, метро,
на городских железных дорогах
и в системе трамвая сильно
отличаются в отношении скрежета
в кривых от типовых условий
горных железных дорог с нормальной
или метровой колеей и тем
более зубчатых железных дорог.
Режим эксплуатации оказывает
значительное влияние на важнейшие
параметры шума, возникающего при
движении подвижного состава
в кривых. Основные эксплуатационные
требования определяются инфраструктурой,
в частности наличием кривых
и их минимальными радиусами.
Так как сила сцепления
между колесом и рельсом является
важным параметром, влияющим на
образование шума, то заметную
роль играют также все факторы,
оказывающие влияние на условия
сцепления, а именно погода
и географическое положение.
Трение, необходимое в
продольном направлении, является
важнейшим фактором. Определенный
минимальный уровень трения необходим
практически во всех системах
для обеспечения достаточной
силы торможения. В некоторых
случаях (в первую очередь при
движении поездов, ведомых локомотивами
на крутых подъемах) требования
к минимальному сцеплению для
создания силы тяги оказываются
выше, чем для создания силы
торможения. Так как коэффициент
трения между колесом и рельсом
не может (пока) регулироваться
отдельно в продольном и поперечном
направлении, то ограничиваются
регулированием продольной составляющей.
Несомненно, большую роль при
выборе мероприятий играют затраты
жизненного цикла и эксплуатационные
расходы.
При реализации таких
мероприятий, для которых требуется
применение смазочных средств,
должна быть обеспечена экологическая
чистота последних.
Выбор железнодорожной системы
для оценки предлагаемых мероприятий
Для оценки мероприятий
по устранению скрежета в кривых
был произведен поиск железнодорожной
системы, которая наиболее полно
удовлетворяла бы этим требованиям.
В качестве такой
системы была выбрана линия
метровой колеи между городами
Монтрё (на Женевском озере) и
Цвайзиммен (Бернские Альпы) компании
Montreux — Berner OberlandBahnen (MOB) в Швейцарии.
Линия имеет уклоны до 65 ‰ с
минимальным радиусом кривых
на этих уклонах до 75 м. Некоторые
кривые имеют большую длину
и образуют угол поворота трассы
более чем на 180 град (кривые на
склонах гор со стороны Женевского
озера). Частично эта линия обслуживается
электропоездами, однако по ней
курсирует также много поездов
на локомотивной тяге, как, например,
туристические поезда с панорамным
обзором, известные под названием
Golden Pass. Эта линия подвержена воздействию
всего многообразия погодных
условий: от жаркого и сухого
лета до суровой снежной и
бесснежной зимы.
На других линиях
имеются участки с более крутыми
уклонами. Однако на них в связи
с эксплуатацией электропоездов
предъявляются меньшие требования
к силе сцепления, чем при
эксплуатации поездов на локомотивной
тяге, как это имеет место на
линии компании МОВ. Следует
также отметить, что на пригородных
линиях, а также на сетях трамвая
часто встречаются кривые с
гораздо меньшим радиусом, чем
на линии МОВ. Однако на них
предъявляются менее жесткие
требования к условиям эксплуатации.