XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Изначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, но в современной науке оно было распространено еще на другие виды колебаний (радио, электричество). Таким образом на железных дорогах Японии решаются вопросы о защите населения и окружающей среды, от вибрации и волн возникающие при движении поездов. Примером служит Синкансен (Рис1) - это сеть железных дорог, которая распространена практически по всей стране. Их скорость превышает 200км/ч. Поезда этих линий могут вызывать аэродинамический шум. Усиление аэродинамических явлений и шума от поездов тесно зависит от повышения скорости движения.

Рис 1 Синкансен

Шум аэродинамического происхождения - это шум, возникающий из-за стационарных или нестационарных процессов в газах, вызван движением жидкостей и газов. Они являются главной составляющей шума вентиляторов, газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. При движении тела в воздушной или газовой среде образуются вихри с областью повышенного или пониженного давления. Вследствие чего появляется звуковая волна-вихрь. Для уменьшения вихревого шума следует уменьшать скорость обтекания и улучшать аэродинамические свойства установки. Рис 2

Поскольку звуковая энергия аэродинамического шума растет пропорционально 6-й и 8-й степеням скорости движения поезда, аэродинамическая составляющая становится главным источником наружного шума на высокоскоростных линиях. В случае поездов Синкансен, когда скорость превышает примерно 200 км/ч.

Шум от проходящих по линиям Синкансен поездов может исходить из разных источников: от элементов нижней и верхней частей кузова подвижного состава и токоприемника до конструкций мостовых сооружений (Рис 2). Результаты анализа долей этих источников в общей величине шумового загрязнения, показали, что генерируемый подкузовным оборудованием шум является наиболее значительным. Выявлено также, что вклад аэродинамической составляющей возрастает по мере увеличения скорости движения.

Чтобы контролировать внешний шум, вызванный повышением скорости движения поездов на линиях Синкансен, предпринимаются усилия по определению роли механизмов генерирования аэродинамического шума тележками подвижного состава (рис 3) и токоприемниками (Рис4).

Рис 3 Рис 4

Для этого во время натурных испытаний были проведены измерения потоков воздуха при движении высокоскоростного поезда и разработан метод воспроизведения этих воздушных потоков в экспериментальных условиях в аэродинамической трубе. Исследования аэродинамического шума, создаваемого токоприемником, включают: 1)выявление взаимосвязи между уменьшением аэродинамического шума и стабилизацией характеристик аэродинамической подъемной силы посредством совершенствования формы опоры головки токоприемника; 2)снижение уровня аэродинамических помех между головкой и шарнирной рамой токоприемника; 3)поиск иных подходов с использованием технологий управления естественными потоками; 4)уменьшение шума от токоприемника пассивными методами посредством оптимизации формы некоторых частей токосъемного узла с нанесением пористого материала; 5)устройство 20 сквозных отверстий диаметром 6 мм с интервалом 20 мм вдоль оси полоза токоприемника для подавления эоловых тонов в зоне токосъемного узла.

Уменьшить аэродинамический шум, создаваемый токосъемным узлом токоприемника, можно, в частности, путем использования генератора плазмы для управления воздушным потоком. Он создает на поверхности токосъемного полоза подъемную силу и порождает местный воздушный поток. Размещая плазменный генератор в определенных местах токосъемного полоза, удается управлять воздушным потоком на его поверхности, предотвращая отрыв потока от поверхности токосъемного полоза, ослабляя вихри Кармана, уменьшая колебания скорости воздушного потока и тем самым аэродинамические шумы даже при движении поезда с высокой скоростью.

Шум на железных дорогах, создаваемый оборудованием подвижного состава, удается контролировать и уменьшать, но при этом доля шума от соприкосновения колеса и рельса увеличивается. Это касается мест нарушения непрерывности рельсов, где возникает шум от ударов (динамический шум), который сильнее обычного шума качения. Исследования RTRI сосредоточены на динамическом шуме при проследовании рельсовых стыков с целью определения его частотных характеристик и соотношений между амплитудой шума, скоростью транспортного средства, его массой и т.д. Для этого измеряли шум и вибрации рельсов на эксплуатируемой линии, чтобы определить долю шума от колес, рельсов и шпал в общем динамическом шуме, а также эффективность мер по снижению шума посредством создания физических моделей.

Для выяснения характера распространения шума исследовалось влияние расположенных рядом сооружений, в частности таких, как откосы земляного полотна

Рис 5

и искусственные сооружения (Рис 5) (мосты, эстакады туннелей, водопропускных труб и т. д.). В случае автомобильного моста, проходящего над железнодорожными путями, проводились натурные исследования и измерения уровня шума до и после строительства со0оружения, чтобы подтвердить или опровергнуть егo влияние на усиление шумa. Для территории находящейся вблизи моста разработана модель прогнозирования шума, адекватность которой доказана экспериментами в безэховой камере RTRI для имитации скорости движения 300км/ч.

Так как интенсивность шума и частотные характеристики изменяются в зависимости от отражения, экранирования и дифракции во время распространения звука, наружный шум при проходе подъезда вблизи автомобильного моста увеличивается из-за отражения звука от нижней его поверхности.

Главный и основной вывод исследования состоит в том, что в случае строительства автомобильного моcта над железнодорожной линией меры по снижению отраженного шума вполне оправданны.

Базовые меры против возникновения перепадов давления на входе и выходе из тоннелей состоят в обустройстве специальных конструкций обрамления порталов, удлинении и оптимизации носовой части головных вагонов и т.д. Однако планы повышения скорости движения поездов Синкансен в дальнейшем требуют разработки дополнительных мероприятий для контроля за распространением волн давления в тоннеле и на выходе из него.

Так, одно из направлений исследования предусматривает оценку способа укладки балласта на путевую плиту в тоннеле для ослабления волны сжатия. Натурные испытания показали, что увеличение объема щебня на путевой плите позволяет регулировать максимальный градиент звукового давления волны сжатия на выходе из тоннеля. С помощью численного анализа исследовано влияние дополнительной укладки балласта на интенсивность нарастания давления волн сжатия на выходе из тоннеля по сравнению с величиной давления воздушного потока на входе в него. В частности, при экспериментах в тоннеле длиной 3 км исследовано влияние метода укладки балласта на изменение скорости роста максимального давления на выходе из тоннеля относительно показателя на входе в тоннель.

Без балласта указанная зависимость имеет нелинейный характер: скорость нарастания максимального давления увеличивается примерно вдвое.

На выходе поезда из тоннеля возникают специфические шумовые эффекты. В момент входа высокоскоростного поезда в тоннель образуется волна сжатия, распространяющаяся через тоннель со скоростью звука. В тот момент, когда поезд достигает выхода из тоннеля, такая волна высокого давления вырывается из выходного портала в окружающую среду. Это явление может породить экологические проблемы вблизи железнодорожной линии, касающиеся как людей, так и сооружений. Взрывообразная ударная волна, образующаяся при выходе поезда из тоннеля, может причинить вред расположенным рядом постройкам. Для ее смягчения используют ступенчатые конструкции обрамления порталов.

В качестве одной из мер борьбы с этим явлением в тоннеле близ выходного портала устраивается внутренняя продольная перегородка в виде камеры на уровне верха обделки. Такая конструкция способствует многократному отражению микроволн давления с соответствующим их ослаблением.

Для решения проблем с шумом от железнодорожного транспорта в России и безопасной установки АЭ вдоль высокоскоростных магистралей (ВСМ) с выполнением необходимых требований к их эксплуатации – разработан новый нормативный документ. Это специальные технические условия (СТУ) «Шумозащитные мероприятия для участка Москва – Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству»

Был учтен опыт, полученный во Франции, Германии, Японии, Италии, Испании, Южной Корее и других странах при испытаниях высокоскоростных (до 400 км/ч) поездов и разработке необходимой шумозащиты. В СТУ предложены технические решения по следующим основным задачам исследования: выработка методики проведения расчета шумовых характеристик поездов; построение оперативных карт шума; выбор необходимого средства защиты от шума; разработка требований к шумозащитным конструкциям: Проектирование «Транспорт Российской Федерации»; определение аэродинамических нагрузок на АЭ; размещение и монтаж АЭ (в том числе фундаментов, конструкции, заземления, молниезащиты); обеспечение акустической эффективности экрана; разработка методов контроля АЭ.

При анализе методов предлагаемых странами Европы и Азии, были выявлены недостатки. Основной из них: указанные методики применимы только для поездов, эксплуатируемых в конкретной стране.

Для снижения шума от высокоскоростных железнодорожных магистралей проводят мероприятия: установку акустических экранов; сооружение искусственных выемок или насыпей; звукоизолирующее остекление в защищаемых зданиях; реализацию принципа снижения шума в источнике. Принцип снижения шума в источнике реализуется по следующим направлениям: акустическое шлифование рельсов; применение вибродемпфирующих накладок на шейку рельса; нанесение на шейку рельса, тележку и колеса виброшумопоглощающей мастики; использование подрельсовых и подшпальных подкладок; нанесение слоя алюминия на тормозные диски; обточка бандажей колес.

Список использованной литературы

1 Титова, Т. С. Технические решения по снижению шума от высокоскоростных железнодорожных магистралей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru (18.11.2018)

2 Исследования по борьбе с шумом на железных дорогах Японии // Железные дороги мира. – 2018. - №8 – С. 68-71.

3 Борьба с шумом на сети Синкансэн [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rly.su/ru/content/борьба-с-шумом-на-сети-синкансен (18.11.2018)