Bardziej precyzyjne modelowanie zmniejszy hałas generowany przez pociągi
Celem unijnej inicjatywy Shift2Rail jest popularyzacja kolei i zwiększanie ruchu na torach, by przyczyniać się w ten sposób do realizacji ambicji środowiskowych UE. W wieloletnim planie działania dotyczącym inicjatywy czytamy, że hałas i drgania wywoływane przez pociągi pozostają ważnym problemem, który wymaga rozwiązania. Realizacja szeregu działań oraz projektów dotyczących oceny hałasu doprowadziły do powstania CNOSSOS, czyli europejskiej normy branżowej, jednak dokument ten nie rozwiązuje problemu braku metod dokładnego pomiaru poszczególnych źródeł hałasu, takich jak przyspieszenie pociągu lub powierzchnia kół żelaznych. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu TRANSIT opracował narzędzia do symulacji i ograniczania hałasu, które mają pomóc w rozwiązaniu tego problemu. „Nasze rozwiązania przybliżają nas do ostatecznego celu, jakim jest umożliwienie wirtualnej certyfikacji. Możliwość dokładnego przewidywania hałasu emitowanego przez konkretny pojazd podczas złożonego scenariusza przejazdu na podstawie prognoz opartych na modelowaniu pozwoli operatorom kolejowym zaoszczędzić czas oraz wyeliminuje konieczność wykonywania kosztownych pomiarów”, wyjaśnia Ines Lopez Arteaga, koordynatorka projektu z ramienia Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven, który pełnił rolę gospodarza projektu.
Modele oparte na badaniach laboratoryjnych i terenowych
Badacze przeprowadzili pomiary laboratoryjne w celu określenia poziomów hałasu generowanego przez szereg rozwiązań związanych z koleją, od systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, aż po urządzenia trakcyjne. Dzięki tym pomiarom zespół projektu TRANSIT mógł wyizolować i zmierzyć wkład poszczególnych elementów odpowiedzialnych za hałas przejeżdżającego pociągu przy pomocy modelu. W tym celu badacze uwzględnili różne rodzaje hałasu, takie jak między innymi hałas toczenia powstający w wyniku drgań kół i szyn, na które wpływa gładkość ich powierzchni. Aby określić względny udział każdego z tych czynników, a także ustalić poziom hałasu, który wywołują, konieczny jest pomiar nierówności powierzchni. „Gdyby nawet udało się stworzyć koła obracające się całkowicie bezszelestnie, im bardziej nierówna będzie ich powierzchnia, tym więcej hałasu będzie generować szyna z powodu oddziaływania na nią kół”, zauważa Arteaga. „Łączne nierówności można ustalić na postawie pomiarów drgań szyn, z kolei uzyskanie oddzielnych wartości wymaga pomiaru co najmniej jednego z tych elementów”. Rozwiązanie opracowane w ramach projektu TRANSIT polegało na ustaleniu progu nierówności dla szyny lub koła na podstawie wielokrotnych przejazdów poprzez wybór niższej wartości. Badacze wykonali następnie pomiary przyspieszenia pionowego dla poszczególnych kół, wózków oraz całych składów. „Nasza metoda umożliwia oszacowanie nierówności kół i szyn bez dokonywania ich bezpośredniego pomiaru. Naszym celem jest oddzielny pomiar wpływu kół i szyn na hałas toczenia wytwarzany przez skład”, dodaje Arteaga. Określenie wpływu kół i szyn na hałas przejeżdżającego pociągu pomoże operatorom kolejowym spełnić wymogi aktów prawnych, w tym między innymi technicznych specyfikacji interoperacyjności oraz dyrektywy odnoszącej się do oceny i zarządzania poziomem hałasu w środowisku, jednocześnie przyczyniając się do skrócenia czasu zamknięcia torów na potrzeby wykonywania ręcznych pomiarów.
Rozwiązania do badań w terenie
Aby zweryfikować przewidywania modeli, zespół przeprowadził szereg pomiarów terenowych. Jednym ze sposobów zmniejszenia zużycia energii przez pociągi jest ograniczenie ich masy. Często prowadzi to jednak do zwiększenia natężenia hałasu we wnętrzu – dotyczy to zwłaszcza dźwięków o niskiej częstotliwości. W celu ograniczenia poziomu hałasu generowanego przez układ klimatyzacji, zespół projektu TRANSIT opracował rozwiązanie pochłaniające dźwięk w postaci układu rezonatorów w kształcie cienkich dysków przymocowanych do membrany, za którymi znajdują się niewielkie wnęki. Na podstawie badań i symulacji opartych na modelach, takie rozwiązanie powinno znacznie obniżyć natężenie hałasu, jednak testy prototypu nie potwierdziły tego założenia. „Obecnie pracujemy nad nową konstrukcją, w przypadku której sztywność membrany pozwoli nam uzyskać osiągi zakładane na podstawie modelu”, dodaje Arteaga. W celu weryfikacji założeń modelu zespół pracuje obecnie nad zastosowaniem metod charakterystyki akustycznej na stanowisku testowym do większej liczby źródeł, jednocześnie rozwijając metody przewidywania kierunkowości źródeł hałasu.
Słowa kluczowe
TRANSIT, kolej, pociąg, koło, hałas, model, tory
