Posouzení vybraných druhů protihlukových opatření na železnici Lukáš Hejzlar i Abstract: The contribution deals with evaluation of effectiveness of selected noise reduction measures on railway infrastructure under normal operational conditions. These are composite brake blocks, track absorbers applied on non-ballasted track or a low-height noise barriers. A special focus here was on the influence of rail acoustic roughness on noise emissions; the aim of the investigation was to determine the track contribution due to different rail head surface acoustic roughness as well as to quantify the influence of corrective grinding on noise emissions three weeks of operation after grinding. Keywords: noise, composite brake blocks, acoustic rail roughness, track absorber, low-height noise barrier 1. Úvod Příspěvek si klade za cíl posoudit efektivitu některých druhů protihlukových opatření aplikovaných buď na železniční vozidlo nebo na infrastrukturu. V prvním případě jde o efektivitu implementace nekovových brzdových špalíků na motorovou jednotku. Dále je zde pozornost věnována vlivu akustické drsnosti povrchu kolejnic na hlukové emise a jejich snižování pomocí broušení. Následně je posouzena efektivita dvou protihlukových prvků implementovaných na železniční infrastrukturu, a to kolejových absorbérů na pevné jízdní dráze a nízkých protihlukových clon na jednokolejné trati v České republice. 2. Měření vnitřního hluku na jednotkách Regionova ve zkušebním provozu s nekovovými brzdovými špalíky Cílem měření bylo posouzení efektivity implementace nekovových brzdových špalíků na snížení vnitřního hluku na jednotkách Regionova. Ve zkušebním provozu byly v době měření dvouvozové jednotky Regionova se třemi typy nekovových brzdových špalíků typu LL. Navrhovaným postupem řešení byla realizace měření na koridorové trati v úseku Pardubice Moravany se třemi typy nekovových brzdových špalíků a s kontrolní jednotkou vybavenou litinovými brzdovými špalíky. V prostoru pro cestující bylo osazeno sedm měřicích míst (mikrofonů) viz obr. 1. Obr. 1 Schématický náčrtek umístění mikrofonů i Ing. Lukáš Hejzlar, Výzkumný ústav železniční, a.s., Novodvorská 1698, 142 01 Praha 4 Braník, e-mail: hejzlarl@cdvuz.cz 1
Měření akustických emisí bylo realizováno v přímém úseku trati při rychlosti 80 km/h oběma směry jízdy. Shrnutí výsledků měření vnitřního hluku je uvedeno v následující tabulce. Tab. 1 Naměřené hodnoty hladiny hluku Brzdový špalík Motorový vůz (průměr) [db] Řídicí vůz (průměr) [db] Nekovový typ 1 74 68 Nekovový typ 2 77 69 Nekovový typ 3 76 74 Litinový 78 80 Výrazné snížení hladin hluku bylo zjištěno zejména v řídicím voze, kde dosahovalo 6 až 12 db v závislosti na typu použitých brzdových špalíků a kilometrickém proběhu od reprofilace. Snížení hluku v motorovém voze nebylo tak výrazné, neboť se projevil výrazný akustický příspěvek trakce. Snížení hlukových emisí v rozmezí 6 12 db je velmi efektivní. Při tom použití nekovového špalíku typu 1 a 2 znamenalo snížení o 11 až 12 db. Rozdíl 1 db mezi výše uvedenými špalíky lze spíše přičíst kilometrickému proběhu než vlastnostem špalíku. Horší výsledky při použití špalíku typu 3 je možno částečně přičíst vyššímu kilometrickému proběhu (cca dvojnásobný) oproti špalíkům typu 2 a s tím i spojenému vyššímu opotřebení jízdních ploch. Snížení hladiny hluku v motorovém voze je nižší (cca 1 4 db) vzhledem k vyššímu příspěvku trakce k celkovému vnitřnímu hluku v prostoru pro cestující. V tomto stavu nelze toto opatření považovat za efektivní. V okamžiku, kdy by bylo doprovázeno dodatečným opatřením pro snížení příspěvku trakce (odhlučnění motoru), je pravděpodobné, že by se efektivita tohoto opatření významně zvýšila. 3. Měřicí kampaně hlukových emisí u železniční stanice Libochovany vliv opravného broušení na hlukové emise Měření hlukových emisí bylo realizováno mimo koridorovou trať, a to v traťovém úseku Lysá nad Labem Ústí nad Labem, nedaleko železniční stanice Libochovany. Na tomto místě byl naměřen největší rozdíl v akustické drsnosti mezi první a druhou traťovou kolejí. Cílem zkoušky bylo jednak stanovení příspěvku trati vlivem rozdílné akustické drsnosti povrchu kolejnic, dále odvodit vliv akustické drsnosti jako ovlivňujícího parametru pro hlukové emise a konečně kvantifikovat vliv opravného broušení na hlukové emise po cca třech týdnech od přebroušení. Měření hlukových emisí bylo realizováno ve dvou kampaních: a) první měřicí kampaň: odvození rozdílů v celkových hlukových emisích vlivem rozdílné akustické drsnosti při stejné konstrukci trati b) druhá měřicí kampaň: kvantifikování vlivu opravného broušení povrchu kolejnic na hlukové emise. 2
Měření vnějšího hluku v podmínkách volného pole Pro obě měřicí kampaně byla použita metodika měření vnějšího hluku v podmínkách volného pole. V souladu s předepsanou metodikou byl hluk měřen ve dvou místech. Jedno místo bylo ve vzdálenosti 7,5 m od středu bližší koleje, ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice. Druhé místo bylo na opačné straně trati ve vzdálenosti 7,5 m od středu bližší koleje a výšce taktéž 1,2 m nad temenem kolejnice. Měřicí místa byla tedy po obou stranách trati. Hladiny akustické drsnosti První měřící kampaň byla realizovaná v obou traťových kolejích s rozdílnou kvalitou pojížděných ploch temen kolejnic. V koleji č. 1 se nacházela vlnkovitost viz obr. 2, která způsobovala výrazné zvýšení hlukových emisí. Obr. 2 Výskyt vlnkovitosti na 1. traťové koleji Hladiny akustické drsnosti na obou kolejích pro první měřicí kampaň jsou uvedeny na obr. 3. Zde je patrný výrazný rozdíl v akustické drsnosti mezi první a druhou traťovou kolejí. Obr. 3 Hladiny akustické drsnosti během první měřicí kampaně 3
Další obrázek zachycuje stav 1. traťové koleje po přebroušení, kdy byla realizována druhá měřicí kampaň hluku. Obr. 4 Pohled na kolej po přebroušení Hladiny akustické drsnosti na obou kolejích pro druhou měřicí kampaň jsou uvedeny na obr. 5. Zde je zřetelně vidět pozitivní vliv opravného broušení, které bylo realizováno na první traťové koleji. Výsledky zkoušek Obr. 5 Hladiny akustické drsnosti během druhé kampaně po broušení Pro řádné posouzení efektivity protihlukových opatření byly vlaky projíždějící v tomto traťovém úseku rozděleny do následujících dvou kategorií: kategorie 1 osobní vlaky a rychlíky vybavené špalíkovou a kotoučovou brzdou kategorie 2 nákladní vlaky. 4
Z výsledků měřicích kampaní vyplývá, že rozdíl kvality povrchu temen kolejnic mezi traťovou kolejí č.1 (špatná drsnost) a kolejí č.2 (dobrá drsnost) je pro vlaky kategorie 1 15,7 db. Naproti tomu u vlaků kategorie 2 byl zjištěn rozdíl 7,2 db. To je způsobeno jednoznačně rozdílnou kvalitou povrchu temen kolejnic, kde podíl špatné akustické drsnosti je tak vysoký, že zanikají veškeré rozdíly v kvalitě projíždějících vozidel. Po přebroušení se rozdíly v hlukových emisích razantně snížily. Pro vlaky kategorie 1 činí rozdíl 3,1 db. Kolej č.1 je stále trochu hlučnější, což lze patrně přičíst ještě nedostatečnému zajetí broušeného povrchu temen kolejnic. Rozdíl 0,3 db mezi 1. a 2. kolejí pro vlaky kategorie 2 je téměř zanedbatelný. 4. Efektivita kolejových absorbérů hluku Kolejové absorbéry hluku se mohou stát efektivním protihlukovým opatřením snižující hlukové emise na pevné jízdní dráze typu RHEDA 2000. Pevná jízdní dráha jako taková vykazuje o 6 8 db vyšší hlukové emise než standardní kolejový svršek se štěrkovým ložem. Tato nevýhoda použití pevné jízdní dráhy, která jinak přináší další benefity v podobě nižších nároků na údržbu, může být eliminována právě použitím kolejových absorbérů hluku. Cílem měřicí kampaně bylo kvantifikovat snížení hlukových emisí první implementací tohoto opatření v České Republice, která byla realizována v roce 2014 na původní instalaci pevné jízdní dráhy RHEDA 2000, která již v délce cca 350 m existuje v mezistaničním úseku Rudoltice v Čechách Třebovice v Čechách na koridorové trati sítě SŽDC. Do zkušebního provozu byly uvedeny dva typy protihlukových kolejových absorbérů, typ BA z pórovitého betonu a BA-S, který je navíc vybaven umělým trávníkem, každý v délce cca 150 m. Oba typy absorbérů byly implementovány na druhé traťové koleji pevné jízdní dráhy v přímém úseku typ BA v km 9,641 až 9,791 a typ BA-S v km 9,841 až 9,991. Měření hlukových emisí bylo realizováno ve dvou kampaních: a) první měřicí kampaň: březen 2015, teplota okolního vzduchu 2 11,5 C b) druhá měřicí kampaň: červenec 2015, teplota okolního vzduchu 17,5 24 C Umístění měřicích míst Měřicí stanoviště byla vybrána v km 9,816 pro kontrolní měřicí místo M1 bez absorbérů, v km 9,716 pro měřicí místo M2 s absorbéry typu BA a v km 9,916 pro měřicí místo M3 s absorbéry typu BA-S, všechna místa v podmínkách volného pole. Byla tedy měřena celkem tři místa. Mikrofony v každém místě byly umístěny ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice a ve vzdálenosti 7,5 m od středu koleje. Obr. 6 Umístění měřicích míst na pevné jízdní dráze s kolejovými absorbéry 5
Obr. 7 Protihlukové absorbéry typu BA Obr. 8 Protihlukové absorbéry typu BA-S 6
Výsledky měření hlukových emisí Při první měřicí kampani (březen 2015) byl průměrný útlum všech kategorií vozidel bez zohlednění procentuálního zastoupení 5,5 db na absorbérech typu BA a 5,0 db na absorbérech typu BA-S. Při druhé měřicí kampani (červenec 2015) pak byl průměrný útlum 5,1 db na absorbérech typu BA a 5,5 db na absorbérech typu BA-S. Oba typy absorbérů vykazovaly útlum cca 5 až 7 db. Podle výsledků z předchozích projektů jsou hlukové emise na pevné jízdní dráze o 6 až 8 db vyšší v porovnání s klasickým štěrkovým ložem. Cílem absorbérů bylo minimalizovat rozdíl v hlukových emisích mezi pevnou jízdní dráhou a štěrkovým ložem. Tento cíl se víceméně podařilo naplnit, protože útlum dosažený pomocí absorbérů téměř vyrovnal zvýšení hlukových emisí způsobené konstrukcí pevné jízdní dráhy, což činí tento typ svršku použitelný všude tam, kde by standardní štěrkové lože bylo obtížně technicky proveditelné nebo příliš nákladné. 5. Účinnost nízkých protihlukových clon Cílem této měřicí kampaně bylo posoudit účinnost nízké protihlukové clony, která byla v České republice instalována poprvé viz obr. 9. Jedná se o jednokolejný traťový úsek poblíž zastávky Praha-Hlubočepy, kde jsou v pravidelném provozu nasazovány pouze motorové jednotky ČD řady 814-914 Regionova. Obr. 9 Nízká protihluková clona instalovaná poblíž zastávky Praha-Hlubočepy Při měření byly použity tři mikrofony: M1 ve vzdálenosti 7,5 m od osy koleje na straně se clonou a ve výšce 1,2 m nad temenem kolejnice, M2 ve stejné vzdálenosti a výšce, avšak na straně bez clony a M3 na stejné straně a ve stejné vzdálenosti jako mikrofon M1, avšak ve výšce 0,3 m nad temenem kolejnice. Výsledkem jsou energetické průměry z průjezdů všech motorových jednotek (hodnoty hlukových emisí byly přepočteny na jednotnou rychlost 60 km/h). Z výsledků měřicích kampaní vyplývá, že aplikací nízké protihlukové clony došlo k poměrně výraznému snížení celkových hlukových emisí, a to o 8,3 db ve standardní výšce nad temenem kolejnice a o 9,5 db ve výšce 30 cm. 7