Шум и вибрация на железнодорожном транспорте

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.

Защита от шума и вибраций.

Ограничение вибрации в источнике

Устранение  износа и дефектов поверхности катания  колес.

Работники железнодорожного транспортапри  выполнении служебных обязанностей постоянно подвергаются воздействию интенсивного шума, который помимо вредного действия  маскирует информационные звуковые сигналы. Это затрудняет восприятие подаваемых подвижным составом сигналов и сообщений диспетчера и повышает опасность производственного процесса. Поэтому снижение шума является одной из задач охраны труда и окружающей среды.

Источником шума на локомотиве является система «колесо - рельс», вентиляторы, система охлаждения, компрессор. Самым эффективным средством борьбы является применение глушителей. Для этих целей используют огнестойкие и звукопоглащающ0ие материалы. При распространении шума на территории города следует предусматривать  специальные градостроительные меры: в зоне примыкающей к железной дороге следует располагать здания, сооружения с ненормированным шумовым режимом - гаражи, автостоянки, склады, защитные полосы озеленения, далее учреждения бытового обследования, площадки в зоне, удаленной от железной дороги располагаются больницы, места отдыха.

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. Современный подход к предупреждению или к минимизации образования ползунов состоит в оснащении новых вагонов системами, предупреждающими буксование с проскальзыванием, а также в проведении в некоторых случаях переоснащения действующего подвижного состава упрощенными вариантами автоматических устройств для ограничения появления буксования с проскальзыванием колес, применяемых на некоторых вагонах Управления нью-йоркских городских железных дорог (NYCTA).

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).

шум вибрация железнодорожный

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.

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.

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.

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.

Шумовые эффекты

Шум - один из более распространенных неблагоприятных физических причин окружающей среды, приобретающих принципиальное социально-гигиеническое значение, в связи с урбанизацией, также механизацией и автоматизацией технологических действий, предстоящим развитием дизелестроения, реактивной авиации, транспорта. К примеру, при запуске реактивных движков самолетов уровень шума колеблется от 120 до 140 дБ при клепке и рубке листовой стали — от 118 до 130 дБ, работе деревообрабатывающих станков—от 100 до 120 дБ, ткацких станков—до 105 дБ; бытовой шум, связанный с жизнедеятельностью людей, составляет 45—60 дБ.

Для гигиенической оценки шум подразделяют:

по характеру диапазона  — на широкополосный с непрерывным  диапазоном шириной наиболее одной октавы и тональный, в диапазоне которого имеются дискретные тона;

по спектральному составу  — на низкочастотный (максимум звуковой энергии приходится на частоты ниже 400 гЦ), среднечастотный (максимум звуковой энергии на частотах от 400 до 1000 гЦ) и частотный (максимум звуковой энергии на частотах выше 1000 гЦ);

по временным чертам —  на неизменный (уровень звука меняется во времени но наиболее чем на 5 Дб — по шкале А) и непостоянный.

Один из основных источников шума в городе – автомобильный  транспорт, интенсивность движения которого постоянно растёт. Наибольшие уровни шума 90-95 дБ отмечаются на магистральных  улицах городов со средней интенсивностью движения 2-3 тыс. и более транспортных единиц в час. Уровень уличных шумов обуславливается интенсивностью, скоростью и характером (составом) транспортного потока. Кроме того, он зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума в пределах до 10 дБ. В промышленном городе обычно высок процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение в общем потоке автотранспорта грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к повышению уровней шума. В целом грузовые и легковые автомобили создают на территории городов тяжёлый шумовой режим. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но и вглубь жилой застройки. Так, в зоне наиболее сильного воздействия шума находятся части кварталов и микрорайонов, расположенных вдоль магистралей общегородского значения (эквивалентные уровни шума от 67,4 до 76,8 дБ). Уровни шума, замеренные в жилых комнатах при открытых окнах, ориентированных на указанные магистрали, всего на 10-15 дБ ниже. Акустическая характеристика транспортного потока определяется показателями шумности автомобилей. Шум, производимый отдельными транспортными экипажами, зависит от многих факторов: мощности и режима работы двигателя, технического состояния экипажа, качества дорожного покрытия, скорости движения. Кроме того, уровень шума, как и экономичность эксплуатации автомобиля, зависит от квалификации водителя. Шум от двигателя резко возрастает в момент его запуска и прогревания (до 10 дБ). Движение автомобиля на первой скорости (до 40 км/ч) вызывает излишний расход топлива, при этом шум двигателя в 2 раза превышает шум, создаваемый им на второй скорости. Значительный шум вызывает резкое торможение автомобиля при движении на большой скорости. Шум заметно снижается, если скорость движения гасится за счёт торможения двигателем до момента включения ножного тормоза. За последнее время средний уровень шума, производимый транспортом, увеличился на 12-14 дБ. Вот почему проблема борьбы с шумом в городе приобретает всё большую остроту.