2.1 Загальна характеристика процесів шумообразования
Аналізуючи процеси шумообразования поїздів можна виділити три основні групи:
Інтенсивність шуму залежить в основному від швидкості і в загальному вигляді представлена на рис. 1.
Мал. 1. Залежність шуму залізничного поїзда від швидкості
Шум обладнання (компресори, тягові електродвигуни та ін.) Превалює на швидкостях до 50-60 км / ч. Шум кочення - процес зіткнення в системі «колесо - рейка» визначається залежністю 30lgV (V - швидкість руху, км / год) і превалює в діапазоні швидкостей 60-300 км / год. Аеродинамічний шум утворений обтіканням повітрям корпусу рухомого складу, пантографа і ін. Визначається залежністю 60lgV і превалює на швидкостях понад 300 км / ч.
Певний внесок в процеси шумообразования дають такі процеси як деренчання корпусу рухомого складу (корпусних шум), «вереск» колеса в кривих, звукоизлучения гальмівних колодок і колеса при гальмуванні (шум гальмування), зіткнення вагонів (шум зчіпки), відображення звуку при установці рейок на плитах, удари на стиках рейок і ін.
Один з основних вкладів у процес освіти зовнішнього шуму залізничного транспорту вносить шуму кочення, тобто шум виникає при взаємодії колеса і рейки.
Шум колеса і рейки з'являється в результаті вібрації, викликаної їх взаємодією. Процес утворення шуму кочення описується моделлю, створеної Ремінгтон [12]. Графічний вид цієї моделі показаний на рис. 2.
Мал. 2. Модель, що описує виникнення шуму кочення
Звернемо увагу на деякі особливості даної моделі. Випромінювання шуму відбувається не тільки контактирующими але і приєднаними поверхнями, наприклад, шпалами (рис. 3).
Мал. 3. звукоизлучения вхідних елементів верхньої будови колії та колеса
У моделі прийнято поняття контактного фільтра. Це важлива складова моделі. У місці контакту утворюється контактна пляма, де, крім двох основних тел колеса і рейки, можна виділити третій тіло - проміжний шар, що складається з суміші оксиду заліза, і інших продуктів зносу коліс і рейок. Ця суміш виконує роль свого роду прокладки, або фільтра, що знижує виникають напруги.
В реальних умовах спостерігається деяке лінійне переміщення колеса щодо рейки тобто рух колеса фактично являє собою поєднання кочення і ковзання по поверхні рейки (рис. 4)
Мал. 4. Схема взаємодії колеса з рейкою
У контактному плямі мають місце надзвичайно високі тиску, відповідні зусиллям зсуву, і це призводить до значних витрат енергії. Внаслідок цього в зоні плями контакту діють значні контактні сили і випромінюється високоинтенсивний шум.
Через ударного характеру взаємодії в контактують тілах збуджується весь спектр власних частот, на яких випромінюється шум.
У зоні контакту колеса з рейкою виникає контактний тиск, яке складається з статичного навантаження викликаної масою припадає на колісну пару, і динамічних сил, пов'язаних зі швидкісним режимом поїзда. Ці сили виникають через нерівності поверхонь катання в точці контакту. Контактний тиск залежить, головним чином, від амплітуди нерівностей в точці контакту [23].
Для рейок характерний хвилеподібний знос поверхні кочення, що характеризується періодичними нерівностями довжиною приблизно 50-100 мкм і висотою в кілька десятків мікрометрів в залежності від ступеня зносу. Величина нерівностей в значній мірі впливає на шум кочення.
Шум кочення також зростає, якщо на колесах виникають нерівності від гальмування, так звані «повзуни».
Для зниження шуму кочення викликаного хвилеподібним зносом рейок в ЄС застосовується шліфування рейок. За літературними даними ефект зниження шуму після шліфування рейок становить близько 6 дБА.
Схема розташування мікрофонів і датчиків при проведенні експерименту представлена на рис. 5.
Мал. 5. Схема розташування мікрофонів і датчиків
Мікрофони на відстані 1 м від рейки були встановлені на висоті головки рейки (рис. 6). Мікрофони на відстані 25 м від осі колії були встановлені на висоті 1,5 м від рівня землі.
Мал. 6. Установка мікрофонів в на відстані 1 м від рейки
Мал. 7. Установка трикомпонентної вібродатчика на рейок
Стан поверхні кочення рейок до шліфування представлено на рис. 8. Стан поверхні кочення рейок після шліфування представлено на рис. 9. На малюнках обведені загальні точки для ідентифікації одного і того ж ділянки.
Мал. 8. Поверхні катання рейок до шліфування
Мал. 9. Поверхні катання рейок після шліфування
З рис. Мал. 8. і рис. 9. видно, що нерівності, які були до шліфування стали менше або зникли зовсім, проте оголилися інші нерівності (каверни) які до шліфування на поверхні не виступали. На радіусної поверхні головки рейки утворилися поздовжні тріщини, які до шліфування не виявлялися (вказано стрілкою).
Дані вимірювань шуму і вібрації показані на рис 10-12 (на прикладі проходження пасажирського потягу). На рис. 10 показані результати вимірювання шуму на відстані 1 м і 25 м від шляхів до і після шліфування з графіка видно, що в ближньому полі за різними колесам ефективність шліфування становить від 1 до 6 дБА. А на контрольному відстані 25 - від 1 до 4 дБА.
Мал. 10. Результати вимірювань рівнів звуку на відстанях 1 м і 25 м під час проходження пасажирського поїзда до і після шліфування рейок
Мал. 11 Рівні звукового тиску звуку на відстанях 1 м і 25 м до і після, шліфування рейок
Мал. 12. Значення виброускорения рейки по осі z (вертикально), до шліфування і після шліфування при проходженні пасажирського поїзда
Таке шліфування проводиться в два прийоми послідовно йдуть поїздами. Перший поїзд здійснює фасонне фрезерування або стругання рейки з формування правильного профілю, а другий поїзд робить згладжування мікронерівностей залишилися після фрези. Крім того, ефект зниження шуму від шліфування рейок дуже сильно нівелює поганий стан колісних пар вітчизняних вагонів. Особливо поганий стан коліс у вагонів цистерн і піввагонів. Найкращий стан поверхонь катання коліс у пасажирських вагонів, тому на цих типах вагонів і був отриманий найкращий ефект.
Таким чином, для досягнення більшого ефекту зниження шуму необхідно не тільки акустичне шліфування поверхонь рейок, але і кращий контроль за технічним станом колісних пар (особливо вантажних вагонів).
Найкращий результат зниження шуму від процедури шліфування рейок в поточних умовах буде отримано на ділянках, де виведено вантажний рух і здійснюється в основному рух пасажирських, моторвагонних і швидкісних поїздів, як мають меншу кількість дефектів поверхонь катання колісних пар.
2.3 Накладки на шийку рейки
Одним з напрямків зниження шуму кочення в джерелі освіти є зниження звукоизлучения рейки Це досягається установкою вибродемпфирующих накладок на шийку рейки. Загальний вигляд накладок представлений на рис. 13.
Мал. 13. Загальний вигляд вибродемпфирующих накладок на шийку рейки
Результати випробувань для трьох типів поїздів (вантажні поїзди, електропоїзди, пасажирські поїзди) наведені на рис 14-16.
Мал. 14. Результати вимірювань УЗД на відстані 1 м від рейки з накладкою і без накладки, при проїзді вантажного поїзда
Мал. 15. Результати вимірювань УЗД на відстані 1 м від рейки з накладкою і без накладки, при проїзді пасажирського поїзда
Мал. 16. Результати вимірювань УЗД на відстані 1 м від рельсас накладкою і без накладки, при проїзді електропоїзди
Аналізуючи характеристики 1/3 октавних спектрів можна стверджувати, що в низькочастотної області має місце ефект демпфірування, а високочастотної вставка частково виконує функції звукоізоляції. Цікаво відзначити характерну для всіх виміряних спектрів характерну область на частоті 1000 Гц, на якій вставки не мають ефекту. Це підтверджує вплив звукоізоляції на високих частотах.
Таким чином, зниження УЗД склало від 2 до 5 дБ в середньо-низькочастотної області спектра від 1 до 2 дБ в високочастотної. Зниження рівня звуку становить близько 3 дБА.
3Сніженіе шуму залізничного транспортана шляху поширення
3.1 Особливості поширення зовнішнього шумажелезнодорожного транспорту
При поширенні звуку в просторі від потяга в блізрасположенних забудову відбувається зниження рівнів звуку (УЗ) і рівнів звукового тиску (УЗД) з відстанню, обумовлене явищем дивергенції, тобто розбіжності звукового поля в усі більший обсяг простору. Характер зменшення УЗ і УЗД з відстанню від поїзда визначається його довжиною. Протяжний поїзд є джерелом циліндричних звукових хвиль, характерних для лінійних випромінювачів. Для умовно нескінченних лінійних джерел характерне зниження на 3 дБ (дБА) при кожному подвоєнні відстані. Поїзд має кінцеві розміри, тому зазначена закономірність має обмеження, тобто при збільшенні відстані циліндрична хвиля переходить в квазіціліндріческую (зниження 4-5 дБ), а потім в сферичну (зниження 6 дБ), коли поїзд представляється точковим джерелом звуку. Дані зниження УЗ від різних поїздів зі збільшенням відстані при проходженні поїзда оп насипу наведені в таблиці 5.
Зниження шуму для різних типів поездовна ділянці з плоскому рельєфом
Різниця зменшення УЗ у вільному просторі, наприклад, для відстані 100 м може досягти 4 дБА між вантажними (довгий поїзд) і електропоїздами (короткий поїзд).
3.2. Зниження шуму залізничного транспортамалимі акустичними екранами
Застосування засобів зниження шуму кочення в джерелі не забезпечує зниження шуму до необхідних величин. Ефективним заходом зниження шуму на шляху поширення від джерела є застосування засобів ближньої звукоізоляції. В якості такого засобу може розглядатися перешкода у вигляді малого акустичного екрану, розташованого поблизу головки рейки в межах дозволених габаритів. Розрахункова схема такого пристрою показана на рис. 5.1.
Мал. 17. Розрахункова схема БСЗ:
1 - джерело шуму (пара колесо - рейка); 2 - БСЗ; 3 - розрахункова точка (РТ); 4 - захищається від шуму об'єкт; 5 - опорна поверхня між БСЗ і РТ; 6 - опорна поверхня між джерелом шуму і БСЗ
Для визначення акустичної ефективності кошти ближньої звукоізоляції - малого акустичного екрану було виділено експериментальна ділянка фінських залізниць c встановленим експериментальним екраном Soundim. Висота верхнього ребра екрана від рівня головки рейки становила 850 мм. Відстань від екрана до осі колії становить 1920 мм. Загальний вигляд екрану представлений на рис. 18. Процес проведення вимірювань представлений на рис. 19.
Мал. 18. Загальний вигляд малого акустичного екрану Soundim
Мал. 19. Проведення вимірювань акустичної ефективності акустичного екрану Soundim
Результати ефективності акустичного екрану Soundim представлені на рис. 20-21.
Мал. 20. Результати акустичної ефективності екрану Soundim при проходженні пасажирського поїзда
Мал. 21. Результати акустичної ефективності екрану Soundim при проходженні вантажного поїзда
Ефективність екрану Soundim на измеренном ділянці фінських залізниць має ефективність 8-10 дБА при русі по коліях безпосередньо прилеглих до екрану і 4-7 дБА при русі по коліях віддалених від екрану, що можна порівняти з ефективністю екранів інших виробників і інших конструкцій екранів. Найбільш ефективним застосування екранів конструкції Soundim буде на ділянках де організовано рух швидкісних поїздів, приміських електропоїздів і пасажирських поїздів
В даний час ефективність заходів щодо зниження шуму на шляху поширення (установка АЕ) в середньому становить 10-15 дБА, що в 2-3 рази більше ніж ефективність заходів зниження шуму в джерелі освіти (вібродемпфірованіє або звукоізоляція шийки рейки і ін). Найкращих результатів можна досягти застосовуючи ці заходи спільно.